2026年4月30日——量子比特是量子信息处理的基本构建单元。美国能源部阿贡国家实验室发明的一种新型量子比特平台，其噪声水平比大多数传统量子比特低数千倍。噪声指环境中削弱量子比特性能的干扰。该平台通过将单个电子捕获在冷冻氖气表面构建而成。这一最新发现使阿贡的该平台成为高性能量子技术领域的强劲竞争者。

这项由阿贡实验室和圣母大学联合领导的新研究发表在《自然·电子学》上。合作机构包括芝加哥大学、哈佛大学、东北大学和佛罗里达州立大学。

“在之前的工作中，我们展示了电子-氖量子比特的卓越性能，”阿贡实验室科学家、共同通讯作者徐涵（音译）表示。“通过彻底表征该量子比特的噪声特性，这项最新研究揭示了其性能如此出色的原因。我们的结果证明，该技术在大规模量子信息处理方面前景广阔。”

量子计算：潜力巨大，但受噪声困扰

如今的计算机和智能手机运行在比特之上，这些微型开关只能处于0或1状态。量子计算机使用一种特殊的比特，即量子比特，它可以同时处于0和1状态。此外，一个量子比特的状态可以瞬间影响另一个量子比特的状态，即使它们位于地球的两端。许多不同类型的物理对象可用于构建量子比特，包括电子、光子和导线环。

“在之前的工作中，我们展示了电子-氖量子比特的卓越性能。通过彻底表征该量子比特的噪声特性，这项最新研究揭示了其性能如此出色的原因。我们的结果证明，该技术在大规模量子信息处理方面前景广阔。”——徐涵，阿贡实验室科学家

量子比特的非凡特性可以使量子计算机拥有远超经典计算机的指数级计算能力。这为解决诸如研发治病药物和优化复杂供应链等难题打开了大门。

然而，量子计算机仍是一项新兴技术。量子比特对环境噪声极为敏感——例如电磁场、热量和粒子振动等微小干扰。因此，量子比特的相干时间往往很短，意味着它们只能维持信息几分之一秒。这导致量子计算机极易出错。

当今大多数基于芯片的量子比特由半导体或超导材料制成。半导体具有可控的导电性，而超导体则没有电阻。在实验中，行业领先的量子比特平台表现尚可。然而，基于半导体和超导材料的量子比特常常受到材料缺陷、嵌入电荷和制造变异性带来的噪声挑战。电子-氖量子比特有望解决这些局限性。

固态氖噪声更低

2022年，阿贡国家实验室纳米材料中心的科学家发明了一种全新类型的量子比特，通过将氖气冷冻成固态，并将灯泡灯丝发射的电子喷射到固态氖上制成。一个特殊电极将单个电子捕获在氖表面上方。该电子充当量子比特，电子在空间中的运动代表量子比特的0和1状态。该平台的一个重要部件是一个称为谐振器的装置，它发出微波脉冲来控制并测量量子比特的状态。纳米材料中心是美国能源部科学办公室的用户设施。

2024年由阿贡领导的一项后续研究发现，电子-氖量子比特可以实现0.1毫秒的相干时间。这比传统半导体量子比特的先前记录提高了近一千倍，并与性能最高的超导量子比特相当。该研究还展示了该量子比特的高门保真度，这是衡量量子比特控制量子信息处理精度的指标。

在噪声方面，固态氖本质上比半导体和超导材料安静得多，因为它化学性质惰性且不含杂质。

系统性噪声表征

本研究通过在纳米材料中心进行的系统性噪声表征评估了该平台的安静程度。这涉及通过谐振器以不同频率定向发射精心定时的微波脉冲序列。这些脉冲序列操控量子比特并探测其局部环境中的噪声。

“存在一个特定频率，称为“甜蜜点”，在该频率下，电子量子比特对附近的电噪声相对不敏感，”研究项目负责人金大飞（音译）表示。金此前是阿贡实验室的科学家，现为圣母大学副教授。“然而，在这项工作中，我们有意观察了这个甜蜜点之外的频率。这使我们能够研究固态氖环境如何干扰量子比特，并将其与其他材料进行比较。”

研究团队发现，氖量子比特平台中的噪声比大多数半导体量子比特低10到10,000倍，并与最低的半导体噪声记录相当。然而，仍有改进空间。科学家们发现了一些由杂散电子和氖表面不平整引起的有限噪声。

“我们已经开始后续工作来减轻这种噪声，并进一步优化量子比特，”金说道。

除了优异的噪声特性外，氖量子比特还有其他优势。与半导体和超导量子比特相比，它的制造过程更简单、成本更低。例如，电子可以从灯泡灯丝中免费获取。

除徐涵和金之外，该研究的其他作者包括阿贡实验室的黄宜中（音译）和在研究进行时在阿贡实验室的李欣浩（音译）；圣母大学的温雨田（音译）；芝加哥大学的克里斯托弗·S·王和布伦南·迪兹达尔；佛罗里达州立大学与佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院的郭伟（音译）和周贤静（音译）；以及东北大学的张旭峰（音译）。

该研究得到了美国能源部基础能源科学办公室、阿贡实验室指导研究与开发计划、朱利安·施温格物理研究基金会、空军科学研究办公室、国家科学基金会、戈登与贝蒂·摩尔基金会、海军研究办公室青年研究员计划以及法国与芝加哥科学合作计划的支持。