在《自然》杂志最近的一篇论文中，由美国能源部 (DOE) 的阿贡国家实验室领导的一个团队宣布创建一个新的量子比特平台，该平台通过在极低的温度下将氖气冻结成固体，从加热灯丝发射电子到固体氖上，在那里捕获单个电子。该系统显示出巨大的潜力，可以发展成为未来量子计算机的理想构建模块。

量子比特的特殊之处在于它可以同时为0和1。物理学家有时会将这种状态与著名的量子思想实验——薛定谔的猫进行比较，在该实验中，隐藏在盒子里的猫在人们打开盒子之前，理论上可能是活的也可能是死的。当有许多量子比特时，这种叠加状态给量子计算机带来了极大的动力。因此，他们有朝一日可以解决任何经典超级计算机无法解决的复杂问题。

要实现一台有用的量子计算机，对量子比特的质量要求极为苛刻。虽然今天有各种形式的量子比特，但它们都不是理想的。

理想的量子位是什么样的?阿贡科学家和该项目的首席研究员Dafei Jin表示，它至少具有三个卓越的品质。

一个新的量子位平台：来自加热灯丝(顶部)的电子落在固体氖(红色块)上，其中单个电子(表示为蓝色的波函数)被超导量子电路(底部图案化芯片)捕获和操纵. (图源：Dafei Jin，阿贡国家实验室。)

首先，它可以在很长一段时间内同时保持0和1状态。科学家们称之为长 “相干性”。理想情况下，时间大约为一秒，这是我们日常生活中可以在家用时钟上感知的时间步长。

其次，量子位可以在短时间内从一种状态变为另一种状态。理想情况下，该时间约为十亿分之一秒(纳秒)，这是经典计算机时钟的时间步长。

第三，量子位可以很容易地与许多其他量子位连接，这样它们可以彼此并行工作。科学家将这种联系称为纠缠。

虽然目前广为人知的量子位并不理想，但IBM、英特尔、谷歌、霍尼韦尔等公司和许多初创公司都选择了他们最擅长的。他们正在积极追求技术改进和商业化。

“我们雄心勃勃的目标不是与这些公司竞争，而是发现和构建一个全新的量子比特系统，从而形成一个理想的平台，”Dafei Jin表示。

虽然量子位类型有很多选择，但该团队选择了最简单的一种——单电子。仅加热您可能在儿童玩具中找到的简单灯丝就可以轻松发射无限的电子。

包括电子在内的任何量子位所面临的挑战之一是，它对周围环境的干扰非常敏感。因此，该团队选择在真空中将电子捕获在超纯固体氖表面。

氖是少数不与其他元素发生反应的惰性元素之一。“由于这种惰性，固体氖可以作为真空中最干净的固体来承载和保护任何量子比特免受​​破坏，”Dafei Jin表示。

该团队量子比特平台的一个关键组件是一个由超导体制成的芯片级微波谐振器。(更大的家用微波炉也是一个微波谐振器。)超导体——没有电阻的金属——允许电子和光子在接近绝对零的情况下相互作用，而能量或信息的损失最小。

“微波谐振器提供了一种至关重要的读取量子比特状态的方法，”圣路易斯华盛顿大学物理学教授、该论文的高级合著者Kater Murch表示，“它集中了量子位和微波信号之间的相互作用。这使我们能够通过测量来判断量子位的工作情况。”

“基于这个平台，我们有史以来首次实现了近真空环境中的单个电子与谐振器中的单个微波光子之间的强耦合，”阿贡大学博士后、该论文的第一作者Xianjing Zhou说道，“这为使用微波光子控制每个电子量子位并将其中许多连接到量子处理器中开辟了可能性。”