用铒制造量子位的新技术

量子位是量子技术的基石，寻找或构建稳定且易于操作的量子位也是量子技术研究的中心目标之一。科学家们发现，铒原子（一种稀土金属，有时用于激光器或彩色玻璃）可以是一种非常有效的量子位。

为了制造铒量子位，铒原子被放置在“主体材料”中，在那里铒原子取代了材料中的一些原始原子。两个研究小组——一个是芝加哥量子交易所公司合作伙伴量子初创公司memQ，另一个是CQE成员美国能源部阿贡国家实验室——使用了不同的铒主体材料来推进量子技术，展示了这种量子位的多功能性，并强调了材料科学对量子计算和量子通信的重要性

这两个项目解决了量子计算研究人员一直试图解决的挑战：设计多量子位设备和延长量子位保存信息的时间

参与这两个项目的阿贡科学家F.Joseph Heremans说：“这两项工作所做的工作确实突出了材料对量子技术的重要性。”。“量子位所在的环境和量子位本身一样重要。”

Startup memQ选择性地激活铒量子位，使控制多量子位设备变得更容易

铒作为量子位很受欢迎，因为它可以通过与互联网和电话线相同的光纤高效传输量子信息；它的电子排列方式也使得它特别能抵抗可能导致量子位失去信息的环境变化

但将铒插入主体材料的生长过程会以科学家无法精确控制的方式散射整个材料中的原子，这使得设计多量子位器件变得困难。在一种全新的技术中，memQ的科学家们发现了一种变通方法：用激光只“激活”某些铒原子

这项研究发表在《应用物理快报》杂志上

毕业于Duality的memQ首席技术官兼联合创始人Sean Sullivan说：“我们实际上并没有把铒放在特定的位置，铒分散在整个材料中。”，量子创业加速器由芝加哥大学波尔斯基创业与创新中心和CQE以及创始合作伙伴伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、阿贡大学共同领导，和P33。

“但通过使用激光，我们可以改变特定区域的晶体结构，从而改变该区域铒的性质。因此，我们正在选择将哪种铒用作量子位。”

该技术依赖于主体材料二氧化钛（TiO2）的性质。由于其对称性，TiO2的晶格具有两种可能的配置。插入晶格中的铒原子将以不同的频率通信，这取决于其所处的TiO2的配置。

在memQ的技术中，铒散射在一种配置的TiO2膜中。然后，将高功率激光聚焦在某些铒原子周围的晶体上，仅在这些位置将TiO2永久变形为其其他配置。现在，激光器选择的铒原子都可以以相同的频率通信，完全与其他原子分离

这一新程序代表了量子技术（即固态技术）领域的重大进步

memQ首席执行官兼联合创始人Manish Singh表示：“你不能在100个随机位置使用量子位来构建有用的东西。”。“有了我们的平台，我们可以选择在我们想要使用的布局中使用哪种铒，这种能力长期以来一直避开固态社区。”

阿贡科学家实现了长铒量子比特相干时间

量子比特有效性的一个关键衡量标准是其相干时间：它可以保留量子信息的时间。这对于用作量子存储器的量子位尤其重要，量子存储器是经典计算机存储器的量子等效物。但相干性是非常脆弱的——量子位可能会因与环境中的某些东西（如空气或热量）相互作用而失去相干性

铒原子可以利用其电子保留量子信息，电子具有一种称为“自旋”的性质。原子核，即原子中心的质子和中子簇，也具有“自旋”，电子和原子核的自旋可以相互影响。铒量子位失去量子信息的一种常见方式是，它的电子自旋与周围一个原子的核自旋相互作用。

因此，阿贡研究人员张杰飞找到了一种可能具有最低核自旋的铒主体材料，但也可以用更传统的硅技术制造。她在另一种氧化物中发现了它，这次是一种稀土元素：二氧化铈，也称为二氧化铈（CeO2）

铈是最丰富的稀土元素，在工业化学中用作氧化剂和催化剂。与具有多种可能结构配置的TiO2不同，CeO2只有一种，并且极为对称。正因为如此，CeO2中的铒量子位更加稳定

“二氧化铈中两个不同的铒量子位将看到相同的晶体环境，”张说。“因此，同时控制它们非常容易，因为它们的作用方式非常相似。”

值得注意的是，memQ开发的新定位技术在CeO2等高度对称的晶体结构中是不可能的，但张能够从铒量子位中看到更长的相干时间，随着实验的继续发展，相干时间可能会更长。w