2026年5月11日——佛罗里达州立大学与FAMU-FSU工程学院的教师魏国和Xianjing Zhou，是一个多机构研究团队的成员，该团队的最新成果推进了量子计算领域最有前景的平台之一。

一种在美国能源部阿贡国家实验室发明的新型量子比特，即量子信息处理的基本构建单元，其噪声水平比大多数传统量子比特低数千倍。该研究发表在《自然·电子学》期刊上。

噪声是指环境中干扰量子比特性能的扰动。该平台通过在冷冻氖气表面捕获单个电子构建而成，最新研究结果使其成为高性能量子技术领域的有力竞争者。

这项新研究由阿贡国家实验室和圣母大学共同领导，合作方包括佛罗里达州立大学。佛罗里达州立大学、芝加哥大学、哈佛大学及东北大学的教职人员参与了此项研究。

“量子计算最大的障碍之一是找到一种足够‘安静’的材料环境，让量子比特能够存活，同时又要足够实用，以便构建更大的系统，”FAMU-FSU工程学院机械工程系教授、国家高磁场实验室研究员魏国表示，“这项研究表明，固态氖在洁净度、稳定性和鲁棒性方面提供了非常引人注目的组合。这正是我们需要的基石，如果我们希望量子硬件变得更强大、更具可扩展性的话。”

量子计算：潜力巨大，但受噪声挑战

当今的计算机和智能手机运行在比特之上，这是一种微小的开关，可以是0或1。量子计算机则使用一种特殊的比特，称为量子比特，它可以同时是0和1。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。

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。这为解决难题打开了大门，例如发明治病药物、推进材料设计、实现安全通信以及优化复杂的供应链。

然而，量子计算机仍是一项新兴技术。量子比特对环境中的微小扰动（如电磁场、热量和粒子振动）的微小扰动极为敏感。因此，量子比特的相干时间通常很短，意味着它们只能在一瞬间内保留信息。

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。但这些量子比特常常受到材料缺陷、埋藏电荷和制造变异性带来的噪声所困扰。电子-氖量子比特有潜力解决这些局限性。

固态氖噪声更低

2022年，阿贡国家实验室纳米材料中心（CNM，美国能源部科学办公室用户设施）的科学家发明了一种全新的量子比特，该比特通过将氖气冷冻成固体，并将来自灯泡灯丝的电子喷射到固体上制成。一个特殊的电极在氖表面捕获一个电子。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。

在该平台中，电子位于氖表面之上的真空中，而不是传统固体内部，这自然减少了它们对限制其他固态平台量子比特性能的缺陷和波动环境的暴露。早期研究已表明，固态氖上的电子可以作为量子比特，并在高度受保护的条件下实现极强的相干性。这项新工作迈出了重要的一步，展示了该平台在更接近未来量子硬件的非理想条件下仍能保持安静和功能性。

测试鲁棒性

该研究通过系统的噪声表征评估了平台的安静程度。研究团队没有仅在最受保护的操作条件下测试设备，而是考察了量子比特在远离电荷不敏感“最佳工作点以及高温环境下的行为。在这些条件下，环境扰动的影响更为显著，使研究人员能够探测平台在实际操作条件下的鲁棒性。

研究团队发现，氖量子比特平台的噪声比大多数半导体量子比特低10到10,000倍，与半导体噪声的最低纪录相当。研究人员还发现，在温度高达400毫开尔文时，量子比特可以保持超过1微秒的相干时间，这是一个值得注意的结果，因为量子设备通常随着温度升高而更容易退相干。

“我们的工作表明，固态氖不仅是捕获电子量子比特的异常洁净宿主，也是一个令人惊讶的鲁棒宿主，”FAMU-FSU工程学院机械工程系助理教授、该论文的通讯作者X Zhou表示，“这令人兴奋，因为降低噪声和放宽温度限制都是将量子设备从受保护的实验室演示推向更现实技术的关键。”

这种温度鲁棒性可能对扩展规模特别有价值。量子处理器通常在极低温度下运行，此时冷却能力有限，系统工程变得越来越困难。一个在较高温度下仍能保持相干的量子比特平台，可以缓解构建更大规模、更实用量子系统的主要瓶颈之一。

“通过仔细表征量子比特所见的噪声，我们可以开始理解为什么该平台表现如此出色，以及可以在哪些方面进行改进，”阿贡国家实验室科学家、该研究的共同通讯作者Xu Han表示，“这一见解对我们致力于开发更先进的捕获电子量子设备至关重要。”

塔拉哈西正在崛起的量子中心

魏国和Zhou对这项研究的贡献，反映了佛罗里达州立大学正在形成的对量子科学的更广泛投资。

佛罗里达州立大学的量子计划旨在推进量子科学与工程，加速可能重塑计算、通信、传感和对物理世界理解的技术发展。FAMU-FSU工程学院正在与佛罗里达农工大学合作，建立量子科学工程中心。

这些机构层面的投资共同帮助构建了强大的量子研究与教育区域生态系统，为学生创造了参与前沿研究、深化技术专长并为快速增长的量子劳动力做好准备的机会。

该研究的作者包括阿贡的Xu Han和Yizhong Huang，以及在该研究进行时在阿贡的Xinhao Li；圣母大学的Yutian Wen和Dafei Jin；芝加哥大学的Christopher S. Wang和Brennan Dizdar；FSU及FAMU-FSU工程学院的魏国和X Zhou；以及东北大学的Xufeng Zhang。

该研究得到了美国能源部基础能源科学办公室、阿贡国家实验室实验室指导研究与开发项目、Julian Schwinger基础物理研究基金会、空军科研办公室、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项目以及法国与芝加哥科学合作项目的支持。魏国的研究还得到了通过佛罗里达农工大学和国家高磁场实验室的国家科学基金会资助，以及通过佛罗里达州立大学获得的戈登与贝蒂·摩尔基金会资助。