2026年8月20日——FAMU-FSU工程学院和总部位于佛罗里达州立大学的国家高磁场实验室的研究人员设计了一种新的量子计算架构，利用磁悬浮来弥补运行量子计算机所需复杂比特的设计缺陷。

量子比特（qubit）可以小到几纳米，制造过程中不可避免地会在其表面引入随机缺陷。通过使用超导磁体悬浮氖粒子，这项研究解决了电子-氖量子比特器件中的一个挑战：电子容易被氖表面随机微小凸起困住，导致其功能不可预测。

这项研究发表在美国物理学会期刊PRX Quantum上，可能有助于为更具可重复性和可扩展性的量子计算技术铺平道路。

“与其期望正确的纳米级特征出现在正确的位置，我们希望决定每个电子量子比特的位置，”研究合著者、佛罗里达州立大学、FAMU-FSU工程学院和国家高磁场实验室（MagLab）教授Wei Guo表示。“磁悬浮让我们能够将一个干净的氖载体放置在芯片上方，同时芯片仍然提供控制和读取量子比特所需的电路。在这种架构中，量子比特不再是偶然发现的，而是通过设计构建的。”

他们做了什么：电子-氖量子比特的新设计

研究人员提出一种芯片设计，利用超导环路将微小的固态氖颗粒磁悬浮在芯片表面之上。新架构并非将固态氖薄膜直接放置在芯片上（这样它会继承下方基底的粗糙度），而是使用近似球形的氖微粒作为电子量子比特的载体。

“一个简单的理解方式是，我们给电子一个微小、干净、漂浮的岛屿供其停留，而不是让它在粗糙的地形上寻找好位置，”研究合著者、MagLab博士后研究员Yinghe Qi表示。“下方的芯片仍然提供控制和读取量子比特所需的微波电路。”

为什么重要：打造更好的芯片

这项工作为新型混合量子器件开辟了道路，这类器件将清洁量子材料与基于芯片的控制电路直接集成。

Guo表示：“我们在这篇论文中尚未构建完整量子计算机，但我们证明了关键要素可以在现实设计中协同工作：干净的电子约束、可调谐的量子比特能级、与微波电路的强耦合，以及相邻量子比特之间的通信方式。”

技术优势

与普通计算机中以0或1存储信息的比特不同，量子比特利用量子力学规则处理信息，在测量之前可以同时表示多种可能性。要构建一台有用的量子计算机，研究人员需要量子比特具备干净、稳定、可控，并且便于在芯片上大规模排列的特性——这一组合很难实现。

电子-氖量子比特使用悬浮在固态氖上方的单个电子，因其精确性和能够在足够长的时间内维持量子信息以执行计算，成为量子比特设计的有前途平台。电子处于干净环境中，而下方的芯片提供控制和读出所需的微波电路。

本研究展示的设计保留了这些量子比特的优势，同时利用磁悬浮消除了凹凸表面的随机性。 

“主要优势是可重复性，”研究合著者、FAMU-FSU工程学院助理教授Yiming Xing表示，“目前，可用的电子-氖量子比特依赖于随机的纳米级表面特征，几乎就像是希望恰当的缺陷出现在恰当的位置。我们的方法用设计好的、清洁的氖载体替代这些随机陷阱，并将其放置在芯片上的预定位置。如果能通过实验验证，这将使电子-氖器件更具可预测性，减少不需要的电荷噪声，并更容易构建更大规模的量子比特阵列。”

未来研究：构建工作原型

研究人员计划利用他们的设计构建一个可工作的电子-氖量子比特原型。

他们设计的主要组件——超导环路、微波谐振器和图案化芯片结构——与量子器件研究中已有的制造方法兼容，这将帮助研究人员从设计推进到原型及更远阶段。