麻省理工学院和其他地方的研究人员第一次记录了石墨烯量子位的“时间相干性”，这意味着它能维持一种特殊的状态，使它能够同时表示两种逻辑状态。研究人员说，该演示使用了一种新型的基于石墨烯的量子位元，为实际的量子计算迈出了关键的一步。
超导量子比特(简称量子位)是利用各种方法产生量子信息的人造原子，量子信息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，量子比特可以保持与经典二进制数0或1相对应的两种状态之一，但这些量子比特也可以同时成为这两种状态的叠加，从而使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。
这些量子位元停留在这种叠加状态的时间被称为它们的“相干时间”。相干时间越长，量子位元计算复杂问题的能力就越强。
最近，研究人员将石墨烯基材料整合到超导量子计算设备中，其中包括更快、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一致性，所以不知道它们是否适用于实际的量子计算。
在今天发表的一篇论文中自然 纳米技术研究人员首次展示了由石墨烯和异国物质组成的相干量子位元。这些材料使量子比特能够通过电压改变状态，就像当今传统计算机芯片中的晶体管一样--也不同于大多数其他类型的超导量子比特。此外，研究人员给出了这种一致性的一个数字，在量子位元回到其基态之前，将其计时到55纳秒。
这项工作结合了来自共同作者william d.oliver，一位专注于量子计算系统的物理教授和lincollab研究员的专家，以及pablojarillo herrero，麻省理工学院研究石墨烯创新的塞西尔和艾达格林物理教授。
“我们的动机是利用石墨烯的独特特性来改善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)奥利弗小组的博士后。“在这项工作中，我们第一次证明了由石墨烯制成的超导量子比特是时间上的量子相干，这是构建更复杂的量子电路所必需的。我们的设备是第一个显示可测量的相干时间的设备--这是一个量子位的主要度量--足够长的时间来帮助人类。“
还有14位其他的合著者，其中包括Jarillo-Herrero小组的研究生Daniel Rodan-Legran，他为这项工作做出了同样的贡献；来自RLE、物理系、电气工程和计算机科学系和林肯实验室的麻省理工学院研究人员；以及来自国立材料科学研究院的辐照固体实验室的研究人员。
纯石墨烯量子点
超导量子比特依赖于一种称为“约瑟夫森结”的结构，在这种结构中，绝缘体(通常是氧化物)夹在两种超导材料(通常是铝)之间。在传统的可调谐量子比特设计中，电流环产生一个小磁场，使电子在超导材料之间来回跳跃，导致量子位元切换状态。
但是这种流动的电流消耗了大量的能量，并引发了其他问题。最近，一些研究小组已经用石墨烯取代了绝缘体，石墨烯是一种原子厚的碳层，不需要大量生产，而且具有独特的特性，可以更快、更有效地计算。
为了制作他们的量子比特，研究人员转向了一种叫做范德瓦尔斯材料的材料--原子薄材料，它们可以像乐高一样堆叠在一起，几乎没有阻力或损伤。这些材料可以以特定的方式堆放，以创造各种电子系统。尽管它们的表面质量几乎完美无瑕，但只有少数研究小组曾将范德华尔材料应用于量子电路，而此前没有一家研究小组证明它们具有时间相干性。
对于他们的约瑟夫森结，研究人员将一片石墨烯夹在范德瓦尔斯绝缘体的两层之间，称为六方氮化硼(HBN)。重要的是，石墨烯具有它接触到的超导材料的超导电性。所选择的范德华尔材料可以用电压来引导电子，而不是传统的基于电流的磁场。因此，石墨烯也是如此，整个量子位元也是如此。
当电压施加到量子比特时，电子在石墨烯连接的两个超导导线之间来回反弹，使量子比特从基极(0)变为激发态或叠加态(1)。底部hBN层作为衬底来承载石墨烯。顶部hBN层封装石墨烯，防止其受到任何污染。由于材料是如此原始，旅行的电子从来不与缺陷相互作用。这代表了量子位元的理想“弹道传输”，即大多数电子从一个超导导线移动到另一个超导体，而不被杂质散射，使状态发生快速、精确的变化。
电压作用
这项工作可以帮助解决量子位元的“缩放问题”。目前，单片芯片上只能容纳大约1，000位量子位。拥有由电压控制的量子位将是特别重要的，因为数以百万计的量子位元开始被塞在一个单一的芯片上。他说：“如果没有电压控制，你也需要成千上万个或数百万个电流环，这就占用了很大的空间，导致能量消耗。”
此外，电压控制意味着更高的效率和更本地化、更精确的针对芯片上单个量子位元的目标，而不需要“相声”。当电流产生的一点磁场干扰到它没有瞄准的量子位时，就会发生这种情况，从而导致计算问题。
“我认为这是一项很好而且很重要的工作，使用混合材料系统制造量子比特，“哥本哈根大学教授、微软首席研究员、量子设备中心主任查尔斯·马库斯说。量子设备中心是丹麦国家研究基金会资助的一个中心。“[这项工作]为发展完善的量子位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，挑战惯例，以新的方式做事，寻找新的机会，总是一个好主意。“
目前，研究人员的量子位数寿命很短。作为参考，具有实际应用前景的传统超导量子比特记录了几十微秒的相干时间，比研究人员的量子比特大几百倍。
但是研究人员已经解决了几个导致这种短暂寿命的问题，其中大多数都需要结构上的修改。他们还在使用新的相干探测方法来进一步研究电子是如何围绕量子位元旋转的，目的是在一般情况下扩展量子位元的相干性。
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