麻省理工學院和其他地方的研究人員首次記錄了石墨烯量子位元的“時間相干性”——即它能保持一種特殊狀態，使其能夠同時表示兩種邏輯狀態的時間長度。
該演示使用了一種新的基於石墨烯的量子位元，研究人員說，這代表著實際量子計算向前邁出了關鍵一步。
超導量子比特(簡寫為量子位)是一種人工原子，它使用各種方法產生量子信息的比特，這是量子計算機的基本組成部分。
與計算機中的傳統二進制電路類似，量子位元可以維持與經典二進制位元對應的兩種狀態之一，即0或1。
但是這些量子位元也可以同時是兩種狀態的疊加，這使得量子計算機能夠解決傳統計算機幾乎不可能解決的複雜問題。
這些量子位元保持這種疊加狀態的時間稱為它們的“相干時間”。
相干時間越長，量子比特計算複雜問題的能力就越大。
最近，研究人員將石墨烯材料應用到超導量子計算設備中，有望實現更快、更高效的計算。
然而，到目前為止，還沒有記錄到這些高級量子位元的相干性，所以還不知道它們在實際量子計算中是否可行。
在今天發表在《自然納米技術》上的一篇論文中，研究人員首次展示了一種由石墨烯和外來材料製成的相干量子位元。
這些材料使量子位元能夠通過電壓改變狀態，就像今天傳統計算機芯片中的晶體管一樣——與大多數其他類型的超導量子位元不同。
此外，研究人員為這種相干性設定了一個數字，在量子位元回到基態之前，它的相干性為55納秒。
這項研究的共同作者威廉·d·奧利弗(William D. Oliver)是實踐物理學教授，也是林肯實驗室(Lincoln Laboratory)的研究員，他的研究重點是量子計算系統。巴勃羅·賈利洛-埃雷羅(Pablo Jarillo-Herrero)是麻省理工學院(MIT)塞西爾和艾達·格林(Ida Green)物理學教授，研究石墨烯的創新。
“我們的動機是利用石墨烯的獨特特性來提高超導量子位元的性能，”第一作者Joel I-Jan Wang說，他是麻省理工學院電子研究實驗室(RLE) Oliver團隊的博士後。
在這項工作中，我們首次展示了石墨烯製成的超導量子比特在時間上是量子相干的，這是構建更復雜量子電路的關鍵。
我們的裝置是第一個顯示可測量的相干時間的裝置——一個量子位元的主要度量標準——它的長度足夠人類控制。
還有其他14位合著者，包括Daniel Rodan-Legrain，他是Jarillo-Herrero團隊的一名研究生，他和王一起為這項研究做出了同樣的貢獻;
麻省理工學院的研究人員來自RLE，物理系，電氣工程和計算機科學系，林肯實驗室;
以及來自法國理工學院輻照固體實驗室和美國國家材料科學研究所高級材料實驗室的研究人員。
原始石墨烯三明治
超導量子位元依賴於一種被稱為“約瑟夫森結”的結構，其中絕緣體(通常是氧化物)夾在兩種超導材料(通常是鋁)之間。
在傳統的可調量子比特設計中，電流環路產生一個小磁場，導致電子在超導材料之間來回跳躍，導致量子比特轉換狀態。
但是這種流動的電流消耗了大量的能量，並引起其他問題。
最近，一些研究小組用石墨烯取代了絕緣體。石墨烯是一種原子厚度的碳層，成本低廉，易於批量生產，而且具有獨特的性能，可能使計算速度更快、效率更高。
為了製造量子位元，研究人員求助於一種叫做範德瓦爾斯材料的材料——原子薄的材料，可以像樂高積木一樣堆疊在一起，幾乎沒有阻力或損傷。
這些材料可以以特定的方式堆疊，形成各種電子系統。
儘管它們的表面質量近乎完美，但只有少數研究小組將範德瓦爾斯材料應用到量子電路中，此前也沒有任何研究小組顯示出時間相干性。
對於約瑟夫森結，研究人員在範德華絕緣體的兩層之間夾了一層石墨烯，這層絕緣體被稱為六方氮化硼(hBN)。
重要的是，石墨烯接觸到的超導材料具有超導性。
所選的範德瓦爾斯材料可以用電壓而不是傳統的電流磁場來引導電子。
因此，石墨烯也可以，整個量子位也可以。
當電壓作用於量子比特時，電子在石墨烯連接的兩個超導引線之間來回彈跳，將量子比特從基態(0)改變為激發態或疊加態(1)。
頂部的hBN層包裹著石墨烯，保護其不受任何汙染。
由於材料是如此原始，行進中的電子從不與缺陷相互作用。
這代表了量子位元理想的“彈道傳輸”，即大多數電子從一個超導導體轉移到另一個超導導體，而不與雜質發生散射，從而使狀態發生快速、精確的變化。
電壓如何幫助
這項工作可以幫助解決量子位“縮放問題”，王說。
目前，一塊芯片只能容納大約1000個量子位元。
有電壓控制的量子位元將是特別重要的，因為數以百萬計的量子位元開始擠在一個芯片上。
他說:“如果沒有電壓控制，你還需要成千上萬的電流回路，這會佔用大量空間，導致能量損耗。”
此外，電壓控制意味著更高的效率和更局部、更精確地定位芯片上的各個量子位元，而不需要“串擾”。
當電流產生的一小部分磁場干擾到它沒有瞄準的量子位元時，就會發生這種情況，導致計算問題。
哥本哈根大學(University of Copenhagen)教授、微軟(Microsoft)首席研究員、丹麥國家研究基金會(Danish National Research Foundation)資助的量子設備中心(Center for Quantum Devices)主任查爾斯•馬庫斯(Charles Marcus)表示:“我認為這是一項優秀而重要的工作……利用混合材料系統制造量子位元。”
“(這項工作)為一個開發良好的qubit平臺帶來了一種探索性的方法。
與標準方法相比，有一些優點，也有一些缺點。
但是挑戰傳統，以新的方式做事，尋找新的機會總是一個好主意。
目前，研究人員的量子位元的壽命很短。
作為參考，傳統超導量子位具有實際應用前景，它記錄的相干時間只有幾十微秒，比研究人員的量子位大幾百倍。
但是，研究人員已經著手解決了導致這種短暫生命週期的幾個問題，其中大多數需要結構上的修改。
他們還使用了新的相干探測方法來進一步研究電子在量子位元周圍的彈跳運動，目的是擴展一般量子位元的相干性。
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