向二氧化钛片发射的激光会改变其撞击位置的晶体的配置——这项技术由量子初创公司 memQ 开发，使科学家能够设计出更有效的多量子比特设备。来源：memQ
量子比特是量子技术的基石，寻找或构建稳定且易于操作的量子比特是量子技术研究的核心目标之一。科学家们发现，铒原子（一种稀土金属，有时用于激光或玻璃着色）可以是一种非常有效的量子比特。
为了制造铒量子比特，铒原子被放置在“宿主材料”中，其中铒原子取代了材料的一些原始原子。两个研究小组——一个是量子初创公司memQ，芝加哥量子交易所的企业合作伙伴，另一个是美国能源部阿贡国家实验室，CQE成员——使用不同的铒主体材料来推进量子技术，证明了这种量子比特的多功能性，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：设计多量子比特设备并延长量子比特保存信息的时间。
“这两项努力所做的工作确实凸显了材料对量子技术的重要性，”参与这两个项目的阿贡科学家F. Joseph Heremans说。“量子比特所处的环境与量子比特本身一样重要。
启动 memQ 选择性地激活铒量子比特，从而更容易控制多量子比特设备铒作为一种量子比特很受欢迎，因为它可以通过与互联网和电话线相同的光纤有效地传输量子信息;它的电子的排列方式也使其特别能抵抗可能导致量子比特丢失信息的环境变化。
但是，将铒插入宿主材料的生长过程会以科学家无法精确控制的方式将原子分散在整个材料中，这使得设计多量子比特设备变得困难。在一项全新的技术中，memQ的科学家发现了一种解决方法：用激光仅“激活”某些铒原子。
这项工作发表在《应用物理快报》杂志上。
“我们实际上并没有将铒放置在特定的位置，铒分散在整个材料中，”memQ的首席技术官兼联合创始人Sean Sullivan说，memQ毕业于Duality，这是由芝加哥大学Polsky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-香槟分校共同领导的量子创业加速器。 Argonne 和 P33。
“但是通过使用激光，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比特。
该技术依赖于主体材料二氧化钛（TiO2).由于其对称性，TiO的晶格2有两种可能的配置。插入晶格中的铒原子将根据TiO的构型以不同的频率进行通信2它坐在里面。
在 memQ 的技术中，铒散布在 TiO 薄膜中2这是在一个配置中。然后，高功率激光聚焦在某些铒原子周围的晶体上，使钛奥永久变形2仅在这些位置进入其其他配置。现在，激光选择的铒原子都可以以相同的频率进行通信，与其他原子完全分开。
新程序代表了量子技术领域（称为固态技术）的重大进步。
“你不能在100个随机位置使用量子比特来构建有用的东西，”memQ的首席执行官兼联合创始人Manish Singh说。“通过我们的平台，我们可以选择我们想要在布局中使用哪种铒，这种能力长期以来一直躲避固态社区。
Argonne 科学家实现了更长的铒量子比特相干时间衡量量子比特有效性的一个关键指标是它的相干时间：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比特尤其重要，量子存储器相当于经典计算机存储器的量子存储器。但相干性非常脆弱——量子比特可能会因与环境中的某种东西（如空气或热量）相互作用而失去相干性。
铒原子可以使用它们的电子保留量子信息，电子具有称为“自旋”的特性。原子核是原子中心的质子和中子簇，也有“自旋”，电子和原子核的自旋可以相互影响。铒量子比特丢失量子信息的一种常见方式是，它的电子自旋与周围原子之一的核自旋相互作用。
出于这个原因，阿贡研究员张洁飞（Jiefei Zhang）寻找了一种具有尽可能低核自旋的铒主体材料，但也可以用更传统的硅技术进行制造。她发现它含有一种不同的氧化物，这次是一种稀土元素：二氧化铈，也称为铈（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。与钛合金不同2，具有多种可能的结构配置，CeO2只有一个，而且非常对称。正因为如此，CeO 中的铒量子比特2更稳定。
“Ceria 中的两个不同的铒量子比特将看到相同的晶体环境，”Zhang说。“因此，同时控制它们非常容易，因为它们会以非常相似的方式行事。
值得注意的是，memQ开发的新型定位技术在像CeO这样的高度对称晶体结构下是不可能的2但Zhang能够从铒量子比特中看到更长的相干时间，随着他们继续开发实验，有可能更长。该作品可以在预印本服务器arXiv上找到。
“每种材料肯定都有优点和缺点，这在量子中很常见，”张说。
更多信息：Sean E. Sullivan等人，薄膜TiO中Er发射器的准确定性定位2通过亚微米级晶体相位控制，《应用物理快报》（2023）。DOI： 10.1063/5.0176610
Jiefei Zhang et al， Er 的光学和自旋相干性3+在外延CeO中2在硅上，arXiv（2023 年）。DOI： 10.48550/arxiv.2309.16785
期刊信息： arXiv ， Applied Physics Letters
