麻省理工學院和其他地方的研究人員第一次記錄了石墨烯量子位的“時間相干性”，這意味著它能維持一種特殊的狀態，使它能夠同時表示兩種邏輯狀態。研究人員說，該演示使用了一種新型的基於石墨烯的量子位元，為實際的量子計算邁出了關鍵的一步。
超導量子比特(簡稱量子位)是利用各種方法產生量子信息的人造原子，量子信息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，量子比特可以保持與經典二進制數0或1相對應的兩種狀態之一，但這些量子比特也可以同時成為這兩種狀態的疊加，從而使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。
這些量子位元停留在這種疊加狀態的時間被稱為它們的“相干時間”。相干時間越長，量子位元計算複雜問題的能力就越強。
最近，研究人員將石墨烯基材料整合到超導量子計算設備中，其中包括更快、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一致性，所以不知道它們是否適用於實際的量子計算。
在今天發表的一篇論文中自然 納米技術研究人員首次展示了由石墨烯和異國物質組成的相干量子位元。這些材料使量子比特能夠通過電壓改變狀態，就像當今傳統計算機芯片中的晶體管一樣--也不同於大多數其他類型的超導量子比特。此外，研究人員給出了這種一致性的一個數字，在量子位元回到其基態之前，將其計時到55納秒。
這項工作結合了來自共同作者william d.oliver，一位專注於量子計算系統的物理教授和lincollab研究員的專家，以及pablojarillo herrero，麻省理工學院研究石墨烯創新的塞西爾和艾達格林物理教授。
“我們的動機是利用石墨烯的獨特特性來改善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)奧利弗小組的博士後。“在這項工作中，我們第一次證明了由石墨烯製成的超導量子比特是時間上的量子相干，這是構建更復雜的量子電路所必需的。我們的設備是第一個顯示可測量的相干時間的設備--這是一個量子位的主要度量--足夠長的時間來幫助人類。“
還有14位其他的合著者，其中包括Jarillo-Herrero小組的研究生Daniel Rodan-Legran，他為這項工作做出了同樣的貢獻；來自RLE、物理系、電氣工程和計算機科學系和林肯實驗室的麻省理工學院研究人員；以及來自國立材料科學研究院的輻照固體實驗室的研究人員。
純石墨烯量子點
超導量子比特依賴於一種稱為“約瑟夫森結”的結構，在這種結構中，絕緣體(通常是氧化物)夾在兩種超導材料(通常是鋁)之間。在傳統的可調諧量子比特設計中，電流環產生一個小磁場，使電子在超導材料之間來回跳躍，導致量子位元切換狀態。
但是這種流動的電流消耗了大量的能量，並引發了其他問題。最近，一些研究小組已經用石墨烯取代了絕緣體，石墨烯是一種原子厚的碳層，不需要大量生產，而且具有獨特的特性，可以更快、更有效地計算。
為了製作他們的量子比特，研究人員轉向了一種叫做範德瓦爾斯材料的材料--原子薄材料，它們可以像樂高一樣堆疊在一起，幾乎沒有阻力或損傷。這些材料可以以特定的方式堆放，以創造各種電子系統。儘管它們的表面質量幾乎完美無瑕，但只有少數研究小組曾將範德華爾材料應用於量子電路，而此前沒有一家研究小組證明它們具有時間相干性。
對於他們的約瑟夫森結，研究人員將一片石墨烯夾在範德瓦爾斯絕緣體的兩層之間，稱為六方氮化硼(HBN)。重要的是，石墨烯具有它接觸到的超導材料的超導電性。所選擇的範德華爾材料可以用電壓來引導電子，而不是傳統的基於電流的磁場。因此，石墨烯也是如此，整個量子位元也是如此。
當電壓施加到量子比特時，電子在石墨烯連接的兩個超導導線之間來回反彈，使量子比特從基極(0)變為激發態或疊加態(1)。底部hBN層作為襯底來承載石墨烯。頂部hBN層封裝石墨烯，防止其受到任何汙染。由於材料是如此原始，旅行的電子從來不與缺陷相互作用。這代表了量子位元的理想“彈道傳輸”，即大多數電子從一個超導導線移動到另一個超導體，而不被雜質散射，使狀態發生快速、精確的變化。
電壓作用
這項工作可以幫助解決量子位元的“縮放問題”。目前，單片芯片上只能容納大約1，000位量子位。擁有由電壓控制的量子位將是特別重要的，因為數以百萬計的量子位元開始被塞在一個單一的芯片上。他說：“如果沒有電壓控制，你也需要成千上萬個或數百萬個電流環，這就佔用了很大的空間，導致能量消耗。”
此外，電壓控制意味著更高的效率和更本地化、更精確的針對芯片上單個量子位元的目標，而不需要“相聲”。當電流產生的一點磁場干擾到它沒有瞄準的量子位時，就會發生這種情況，從而導致計算問題。
“我認為這是一項很好而且很重要的工作，使用混合材料系統制造量子比特，“哥本哈根大學教授、微軟首席研究員、量子設備中心主任查爾斯·馬庫斯說。量子設備中心是丹麥國家研究基金會資助的一箇中心。“[這項工作]為發展完善的量子位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，挑戰慣例，以新的方式做事，尋找新的機會，總是一個好主意。“
目前，研究人員的量子位數壽命很短。作為參考，具有實際應用前景的傳統超導量子比特記錄了幾十微秒的相干時間，比研究人員的量子比特大幾百倍。
但是研究人員已經解決了幾個導致這種短暫壽命的問題，其中大多數都需要結構上的修改。他們還在使用新的相干探測方法來進一步研究電子是如何圍繞量子位元旋轉的，目的是在一般情況下擴展量子位元的相干性。
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