石墨烯层。
超导量子比特(简称量子位)可以产生量子信息比特，也是量子计算机的基本组成部分。与传统计算机中的二进制电路相比，量子位不仅可以保持0或1两种状态，还可以同时是两种状态的叠加。这使得量子计算机具备了解决传统计算机无法处理的复杂问题的能力。量子位保持叠加状态的时间称为“相干时间”。相干时间越长，量子计算性能越强。石墨烯作为一种热门材料，虽然已经在超导量子计算设备中有所研究，但尚无涉及相干性记录的报道，因此它能否适用于实际的量子计算还不得而知。
《自然·纳米技术》期刊2018年12月31日报道，美国麻省理工学院等首次记录了石墨烯量子位的“时间相干性”。在论文中，研究人员首次展示一种由石墨烯和其他材料制成的新型相干量子位。研究人员可以通过电压改变量子位状态，这与传统计算机芯片中的晶体管很相似。此外，研究人员还测定了相干性时间，大约在55纳秒后，量子位元恢复到基态。论文第一作者、麻省理工学院电子研究实验室博士后Joel I-Jan Wang说：“我们尝试利用石墨烯的独特性质来提高量子位的性能。在这项工作中，我们首次证实基于石墨烯的量子比特是时间量子相干的，这是构建复杂量子电路的关键。我们的装置是第一个可以显示相干时间的设备。”
超导量子位的关键结构是“约瑟夫森结”——绝缘体(通常是氧化物)被两种超导材料(通常是铝)所夹持。在传统的可调量子位中，电流回路会产生一个小型磁场，磁场使电子在超导材料之间来回“跳动”，进而使量子位转换状态。然而，实现这种形式的量子位状态转换的能耗非常高，并可能催生其他问题。为了解决这些问题，研究人员决定使用范德华材料。范德华材料仅为原子厚度，并可以像乐高积木一样堆叠在一起，从而构成各种电子系统。尽管范德华材料的表面质量近乎完美，但将其应用于量子电路的研究却不多，更没有研究小组发现时间相干性。为此，Wang等使用两层六方氮化硼(hBN)夹持了石墨烯，最终使量子位具有了理想的“弹道传输”，不会出现杂质散射，状态改变变得迅速而精确。
Wang等的工作还可以帮助解决量子位的“缩放问题”。Wang说，目前的芯片只能容纳大约1000个量子位。而由电压控制的量子位将使这个数目的量级达到百万。此外，电压控制意味着效率的提高，减少甚至消除了“串扰”。虽然Wang等设计的量子位寿命很短，但他们已经在通过修改系统结构，着手延长量子位寿命。他们还在尝试使用新的相干时间检测方法来进一步研究电子在量子位周围的“弹道行为”，以扩展一般量子位的相干性。
编译：德克斯特
审稿：三水
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