麻省理工学院和其他地方的研究人员首次记录了石墨烯量子位元的“时间相干性”——即它能保持一种特殊状态，使其能够同时表示两种逻辑状态的时间长度。
该演示使用了一种新的基于石墨烯的量子位元，研究人员说，这代表着实际量子计算向前迈出了关键一步。
超导量子比特(简写为量子位)是一种人工原子，它使用各种方法产生量子信息的比特，这是量子计算机的基本组成部分。
与计算机中的传统二进制电路类似，量子位元可以维持与经典二进制位元对应的两种状态之一，即0或1。
但是这些量子位元也可以同时是两种状态的叠加，这使得量子计算机能够解决传统计算机几乎不可能解决的复杂问题。
这些量子位元保持这种叠加状态的时间称为它们的“相干时间”。
相干时间越长，量子比特计算复杂问题的能力就越大。
最近，研究人员将石墨烯材料应用到超导量子计算设备中，有望实现更快、更高效的计算。
然而，到目前为止，还没有记录到这些高级量子位元的相干性，所以还不知道它们在实际量子计算中是否可行。
在今天发表在《自然纳米技术》上的一篇论文中，研究人员首次展示了一种由石墨烯和外来材料制成的相干量子位元。
这些材料使量子位元能够通过电压改变状态，就像今天传统计算机芯片中的晶体管一样——与大多数其他类型的超导量子位元不同。
此外，研究人员为这种相干性设定了一个数字，在量子位元回到基态之前，它的相干性为55纳秒。
这项研究的共同作者威廉·d·奥利弗(William D. Oliver)是实践物理学教授，也是林肯实验室(Lincoln Laboratory)的研究员，他的研究重点是量子计算系统。巴勃罗·贾利洛-埃雷罗(Pablo Jarillo-Herrero)是麻省理工学院(MIT)塞西尔和艾达·格林(Ida Green)物理学教授，研究石墨烯的创新。
“我们的动机是利用石墨烯的独特特性来提高超导量子位元的性能，”第一作者Joel I-Jan Wang说，他是麻省理工学院电子研究实验室(RLE) Oliver团队的博士后。
在这项工作中，我们首次展示了石墨烯制成的超导量子比特在时间上是量子相干的，这是构建更复杂量子电路的关键。
我们的装置是第一个显示可测量的相干时间的装置——一个量子位元的主要度量标准——它的长度足够人类控制。
还有其他14位合著者，包括Daniel Rodan-Legrain，他是Jarillo-Herrero团队的一名研究生，他和王一起为这项研究做出了同样的贡献;
麻省理工学院的研究人员来自RLE，物理系，电气工程和计算机科学系，林肯实验室;
以及来自法国理工学院辐照固体实验室和美国国家材料科学研究所高级材料实验室的研究人员。
原始石墨烯三明治
超导量子位元依赖于一种被称为“约瑟夫森结”的结构，其中绝缘体(通常是氧化物)夹在两种超导材料(通常是铝)之间。
在传统的可调量子比特设计中，电流环路产生一个小磁场，导致电子在超导材料之间来回跳跃，导致量子比特转换状态。
但是这种流动的电流消耗了大量的能量，并引起其他问题。
最近，一些研究小组用石墨烯取代了绝缘体。石墨烯是一种原子厚度的碳层，成本低廉，易于批量生产，而且具有独特的性能，可能使计算速度更快、效率更高。
为了制造量子位元，研究人员求助于一种叫做范德瓦尔斯材料的材料——原子薄的材料，可以像乐高积木一样堆叠在一起，几乎没有阻力或损伤。
这些材料可以以特定的方式堆叠，形成各种电子系统。
尽管它们的表面质量近乎完美，但只有少数研究小组将范德瓦尔斯材料应用到量子电路中，此前也没有任何研究小组显示出时间相干性。
对于约瑟夫森结，研究人员在范德华绝缘体的两层之间夹了一层石墨烯，这层绝缘体被称为六方氮化硼(hBN)。
重要的是，石墨烯接触到的超导材料具有超导性。
所选的范德瓦尔斯材料可以用电压而不是传统的电流磁场来引导电子。
因此，石墨烯也可以，整个量子位也可以。
当电压作用于量子比特时，电子在石墨烯连接的两个超导引线之间来回弹跳，将量子比特从基态(0)改变为激发态或叠加态(1)。
顶部的hBN层包裹着石墨烯，保护其不受任何污染。
由于材料是如此原始，行进中的电子从不与缺陷相互作用。
这代表了量子位元理想的“弹道传输”，即大多数电子从一个超导导体转移到另一个超导导体，而不与杂质发生散射，从而使状态发生快速、精确的变化。
电压如何帮助
这项工作可以帮助解决量子位“缩放问题”，王说。
目前，一块芯片只能容纳大约1000个量子位元。
有电压控制的量子位元将是特别重要的，因为数以百万计的量子位元开始挤在一个芯片上。
他说:“如果没有电压控制，你还需要成千上万的电流回路，这会占用大量空间，导致能量损耗。”
此外，电压控制意味着更高的效率和更局部、更精确地定位芯片上的各个量子位元，而不需要“串扰”。
当电流产生的一小部分磁场干扰到它没有瞄准的量子位元时，就会发生这种情况，导致计算问题。
哥本哈根大学(University of Copenhagen)教授、微软(Microsoft)首席研究员、丹麦国家研究基金会(Danish National Research Foundation)资助的量子设备中心(Center for Quantum Devices)主任查尔斯•马库斯(Charles Marcus)表示:“我认为这是一项优秀而重要的工作……利用混合材料系统制造量子位元。”
“(这项工作)为一个开发良好的qubit平台带来了一种探索性的方法。
与标准方法相比，有一些优点，也有一些缺点。
但是挑战传统，以新的方式做事，寻找新的机会总是一个好主意。
目前，研究人员的量子位元的寿命很短。
作为参考，传统超导量子位具有实际应用前景，它记录的相干时间只有几十微秒，比研究人员的量子位大几百倍。
但是，研究人员已经着手解决了导致这种短暂生命周期的几个问题，其中大多数需要结构上的修改。
他们还使用了新的相干探测方法来进一步研究电子在量子位元周围的弹跳运动，目的是扩展一般量子位元的相干性。