阿贡实现了一个关键里程碑，基于单电子量子比特的量子计算取得了重大突破：相干时间增长了近千倍，并首次展示了规模扩展。

量子相干与计算进展

连贯性是有效沟通的支柱，无论是书面、口头还是信息处理。这个原则同样适用于量子位，也就是量子计算的构成要素。量子计算机有朝一日可能能够应对以往不可逾越的气候预测、材料设计、药物研发等挑战。

美国能源部阿贡国家实验室领导的一个团队在未来量子计算方面取得了重要的里程碑。他们将自己的新型量子比特的相干时间延长到令人印象深刻的0.1毫秒，几乎比先前的纪录好了一千倍。

量子领域中的重要性

在日常生活中，0.1毫秒如同眨眼一般转瞬即逝。然而，在量子世界中，它代表了一个足够长的时间窗口，能够让一个量子比特执行成千上万次的操作。

不同于经典比特，量子比特似乎可以同时存在于0和1两个状态。对于任何正常工作的量子比特而言，保持这样的混合态具有足够长的相干时间至关重要。挑战在于保护量子比特免受周围环境持续骚扰的干扰噪音。

团队的量子位(qubits)通过电子的运动(电荷)状态来编码量子信息。由于如此，它们被称为电荷量子位。

“在众多现有的量子比特中，电子电荷比特因其制造和操作的简单性以及与现有经典计算机基础设施的兼容性而备受吸引，” 圣母大学的教授兼项目首席研究员金大飞（Dafei Jin）说道。他同时还在阿贡实验室担任职务。“这种简单性应该能够转化为低成本的大规模量子计算机的建设和运行。”

量子位设计的创新之举

团队的量子位是一个被困在真空中的超洁净固体氖表面上的单个电子。氖的重要性在于它可以抵抗来自周围环境的干扰。氖是为数不多的几种不与其他元素发生反应的元素之一。氖平台可以保护电子位，并天然地保证了长时间的相干性。

“由于单个电子在固态氖上占用空间较小，用其制造的量子位更加紧凑，更有潜力扩展为多个链接的量子位，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院兼职科学家Xu Han表示。“这些特点，再加上相干时间，使我们的电子位异常引人注目。”

经过持续的实验优化，研究团队不仅改善了氖表面的质量，还显著减少了混乱信号的干扰。正如《自然·物理学》所报道的那样，他们的努力得到了0.1毫秒的相干时间，这相当于初始的0.1微秒增加了千倍。

“我们的电子量子位上的长寿命使我们能够以非常高的保真度控制和读取单量子位态。”阿尔贡国家实验室博士后任职者、本文的共同第一作者Xinhao Li说道。这个时间远远超出了量子计算的要求。

“相比于传统的电子电荷量子比特在相干时间内进行的10到100次操作，我们的量子比特可以以非常高的精度和速度进行1万次操作，” 金说道。

未来的前景与成就

量子比特的另一个重要特性是其可扩展性，能够与许多其他比特相连接。团队取得了重大突破，证明了两个电子比特能够耦合到同一超导电路上，从而实现信息在电路中的传输。这标志着迈向两个量子比特纠缠的关键步伐，这是量子计算的一个关键方面。

该团队尚未完全优化他们的电子量子比特，并将继续致力于进一步延长相干时间，并纠缠两个或更多的量子比特。

这项研究发表在《自然物理》杂志上。