你的笔记本电脑连接的互联网让一切事务都建立在数字世界的比特位基础上。这些比特位是数字计算机所说的语言。

比特位有两种形式：在数字上，这两种状态表示为1和0。在计算机芯片上，它们是由被称为晶体管的微型开关制成的，开关可以是开的，也可以是关的。计算机代码将物理和数字位组合成基本的逻辑块，比如“Yes”和“No”, “If”和“then”。把数十亿的数据串在一起，你就会得到电子表格、家庭照片、推文、人工智能和价值数万亿美元的公司。

比特是数字时代的基本粒子。但一个新的基本信息单位正在出现，在某些方面更强大：量子位。

量子比特是量子计算的语言，可以像经典比特一样接受1和0的值，或者，由于量子力学的奇怪定律，可以同时接受这两种值的组合。这种被称为叠加的状态就是魔法发生的地方。叠加量子比特可以探索比经典比特更多的可能性，当它们的量子态连接在一起或纠缠在一起时，它们可以并行协作，在瞬间解决极其复杂的计算。未来的量子计算机不会取代经典计算机，但在某些情况下，它们将能够解决经典计算机无法解决的问题。

然而，目前的情况要复杂一些。虽然量子计算机已经正式从理论变成了事实——这是一个了不起的成就，但还没有一个是实用的。

为了实现一台有用的量子计算机，谷歌、IBM、微软、亚马逊和其他公司正在向运行在大量量子比特上的机器投入资源。谷歌（Google）和IBM（IBM）青睐的最流行的方法涉及超导导线的微小回路。霍尼韦尔和IonQ正在研究由被捕获的离子构成的原子量子位。中国的研究人员正在实验室的工作台上建造复杂的、类似鲁布·戈德伯格的机器，用镜子和光进行量子计算。

量子竞赛根本就没有定论，正如本周《自然》杂志上发表的一篇论文所概述的，赛道上出现了一匹新的马。由美国能源部阿贡国家实验室领导的一个科学家团队用单电子制造量子比特，而不是超导环、离子或光子。

“我们雄心勃勃的目标不是与这些公司竞争，而是发现并构建一个全新的量子比特系统，从而形成一个理想的平台，”阿贡大学的科学家、该项目的首席研究员金大飞在新闻稿中说。

关键突破是什么？氖气冰。

研究小组将氖气冷却到接近绝对零度，然后凝固。然后，他们用灯泡灯丝的电子喷射固体氖表面。电子被困在表面上是因为氖是一种惰性（或非反应性）元素，它用轻微的正电荷吸引电子，但也让它们无处定居。一旦被捕获，电子就可以用电极移动，并用微波谐振器测量它们的状态。这篇论文概述了另一个关键进展。

“微波谐振器至关重要地提供了一种读出量子比特状态的方法，”圣路易斯华盛顿大学物理学教授、论文高级合著者凯特·默奇说。“它集中了量子位和微波信号之间的相互作用。这使我们能够进行测量，判断量子位的工作情况。”

这不是科学家们第一次尝试将电子转换成量子位。但是，在20世纪90年代，之前在氦表面捕捉粒子的尝试被证明太困难了。氦即使在低温下也是液体，液体的晃动扰乱了电子。另一方面，氖气冰为电子量子位提供了一个非常稳定的家。

该团队表示，理想的量子位需要在叠加或凝聚状态下保持一秒钟以上，在十亿分之一秒内改变状态，并与其他量子位以一定的比例纠缠。通过测量它们的电子量子位的性质，他们发现这些量子位在220纳秒的时间里保持叠加状态，在仅仅纳秒的时间里改变状态。其性能与多年来开发的现有最先进的量子比特不相上下。

他们认为，该系统的简单性有助于低成本制造，但规模尚不确定。“我不能说我有一个明确的答案，”金告诉IEEE Spectrum。“这仍然是所有量子位平台的共同问题。我们可能有一些方法比超导量子位做得更好，接近被俘获离子。但在短期内实现数百个量子位并不容易。”

不过，科学家们表示，他们才刚刚开始完善这个平台。他们计划通过将电子从基于电子运动的电荷量子位转换为更稳定的自旋量子位，并使多个量子位纠缠，进一步提高相干性。

不过，从整体来看，这项工作还处于开发的早期阶段。相比之下，IBM去年推出了一款具有127个超导量子位的量子芯片，并希望今年完成一款具有433个量子位的芯片，2023年完成另一款具有1121个量子位的芯片。与此同时，囚禁离子量子计算机的量子比特数更少，但它们已经实现了更高的保真度。

即便如此，迟到者也有可能超越竞争对手。超导量子比特很挑剔，需要上千或上百万个量子比特芯片来纠错。这就是为什么微软押注于一种风险很大、仍然是假设性的、但在理论上更具可扩展性的方法，称为拓扑量子位。这一探索让他们落后于竞争对手多年，但他们相信，如果成功，拓扑量子位元可以让他们领先。

事实是，尽管有一些声称即将实现实用性，但我们在真正有用的量子计算机的时间表上究竟站在什么位置尚不清楚。

马里兰大学凝聚态物质理论中心主任桑卡尔·达斯·萨尔马最近为《麻省理工学院技术评论》撰文称：“当前的问题是，量子计算的发展应该放在这个时间表上的什么位置。”。“是1903年莱特兄弟的飞机吗？是1940年左右的第一架喷气式飞机吗？还是16世纪初的达芬奇的飞行器？我不知道。其他人也不知道。”

因此，尽管每家公司和研究小组都热切地相信自己的方法将是一种可扩展的方法，但有可能是致命的量子位，也可能是氖气冰上的电子才刚刚出现，或者还没有被发明出来。

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https://singularityhub.com/2022/05/08/the-ideal-qubit-future-quantum-computers-could-crunch-data-with-single-electrons-on-neon-ice/