自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比特的“時間相干性” - 意味著它可以維持一種特殊狀態多久，使其能夠同時代表兩種邏輯狀態。 研究人員稱，該演示使用了一種新型的基於石墨烯的量子比特，代表了實用量子計算的關鍵一步。
超導量子比特（簡稱為量子比特）是人造原子，它們使用各種方法來產生量子信息，這是量子計算機的基本組成部分。 類似於計算機中的傳統二進制電路，量子位可以保持對應於經典二進制位的兩種狀態之一，即0或1.但是這些量子位也可以同時是兩種狀態的疊加，這可以使量子計算機解決複雜的問題，對傳統計算機來說幾乎是不可能的。
這些量子位保持在這種疊加狀態的時間量被稱為它們的“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，研究人員已經將基於石墨烯的材料結合到超導量子計算設備中，這些設備可以實現更快，更高效的計算以及其他特性。 然而，到目前為止，這些先進的量子比特沒有記錄的連貫性，所以不知道它們是否適用於實際的量子計算。
在今天發表在Nature Nanotechnology上的一篇論文中，研究人員首次展示了由石墨烯和異國材料製成的連貫量子比特。 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 - 並且與大多數其他類型的超導量子比特不同。 此外，研究人員在量子位恢復到基態之前，將該數字設置為55納秒。
這項工作結合了共同作者William Dliver，一位實踐的物理學教授和林肯實驗室研究員，他的工作重點是量子計算系統，以及Pablo Jarillo-Herrero，麻省理工學院Cecil和Ida綠色物理教授，研究創新在石墨烯中。
“我們的動機是利用石墨烯的獨特性能來改善超導量子比特的性能，”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，我們首次表明，由石墨烯製成的超導量子比特在時間上是量子相干的，這是構建更復雜的量子電路的關鍵要素。 我們是第一個顯示可測量的一致性時間的設備 - 一個量子比特的主要指標 - 足以讓人類控制。“
還有其他14位合著者，包括Jarillo-Herrero小組的研究生Daniel Rodan-Legrain，他同時為Wang的工作做出了貢獻; 來自RLE，物理系，電氣工程和計算機科學系以及林肯實驗室的麻省理工學院研究人員; 和來自ÉcolePolytechnique的輻照固體實驗室和國家材料科學研究所的先進材料實驗室的研究人員。
超導量子位依賴於稱為“約瑟夫遜結”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。 在傳統的可調諧量子比特設計中，電流回路產生小磁場，導致電子在超導材料之間來回跳躍，導致量子位切換狀態。
但是這種流動的電流消耗大量能量並導致其他問題。 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度的碳層，大量生產成本低廉，具有獨特的性質，可以實現更快，更有效的計算。
為了製造他們的量子比特，研究人員轉向了一類材料，稱為範德瓦爾斯材料 - 原子薄材料，可以像樂高積木一樣堆疊在一起，幾乎沒有阻力或損壞。 這些材料可以以特定方式堆疊以創建各種電子系統。 儘管表面質量近乎無瑕疵，但只有少數研究小組曾將範德瓦爾斯材料應用於量子電路，之前沒有一個研究小組表現出時間相干性。
對於他們的約瑟夫森結，研究人員將一片石墨烯夾在兩層範德瓦爾斯絕緣體之間，稱為六方氮化硼（hBN）。 重要的是，石墨烯具有接觸的超導材料的超導性。 可以使用選定的範德瓦爾斯材料來使用電壓來引導電子，而不是傳統的基於電流的磁場。 因此，石墨烯也是如此 - 整個量子比特也是如此。
當電壓施加到量子位時，電子在由石墨烯連接的兩個超導引線之間來回反彈，將量子位從地（0）改變為激發或疊加態（1）。 底部hBN層用作承載石墨烯的基底。 頂部hBN層封裝石墨烯，保護石墨烯免受任何汙染。 由於材料非常純淨，因此行進的電子不會與缺陷相互作用。 這代表了量子比特的理想“彈道傳輸”，其中大部分電子從一個超導引線移動到另一個超導引線而沒有雜質散射，從而快速，精確地改變狀態。
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Wang說，這項工作可以幫助解決量子比特“縮放問題”。 目前，單個芯片上只能容納約1,000個量子比特。 由於數百萬量子比特開始被填充在單個芯片上，因此由電壓控制的量子位將是特別重要的。 “如果沒有電壓控制，你也需要數千或數百萬個電流回路，這會佔用大量空間並導致能量耗散，”他說。
此外，電壓控制意味著更高的效率和更加局部化，精確定位芯片上的各個量子位，而不會產生“串擾”。當電流產生的一小部分磁場干擾其未定位的量子位時會發生這種情況，從而導致計算問題。
目前，研究人員的量子比特有短暫的壽命。 作為參考，具有實際應用前景的常規超導量子位記錄了幾十微秒的相干時間，比研究人員的量子位數高几百倍。
但研究人員已經解決了造成這種短暫壽命的幾個問題，其中大多數都需要進行結構修改。他們還使用他們新的相干探測方法來進一步研究電子如何圍繞量子位彈道移動，目的是擴展量子位的一致性。
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