数字世界——你的笔记本电脑、它所连接的互联网以及实现这一切的公司——都建立在比特的基础上。这些位是数字计算机所说的语言。
位有两种形式： 从数值上讲，这两种状态表示为 1 和 0。在计算机芯片上，它们是由称为晶体管的微型开关制成的，这些开关可以打开或关闭。计算机代码将物理位和数字位组合成基本的逻辑构建块，例如“是”或“否”以及“如果”或“那么”。将数十亿比特串在一起，你就会得到电子表格、家人的照片、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。但是一个新的基础，在某些方面更强大的信息单元正在出现：量子比特。
量子位是量子计算的语言，可以像经典位一样获取 1 和 0 的值，或者，由于量子力学的奇怪定律，可以同时将两者结合起来。这种被称为叠加的状态是魔法发生的地方。叠加态的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，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为事实——这是一项了不起的成就——但还没有一个实用的。
为了实现有用的量子计算机，谷歌、IBM、微软、亚马逊和其他公司正在将资源投入到运行在大量量子比特上的机器中。谷歌和 IBM 青睐的最流行的方法涉及超导线的微小环。霍尼韦尔和 IonQ 正在研究由俘获离子制成的原子量子比特。中国的研究人员正在实验室的工作台上建造复杂的、类似于鲁布-戈德堡的机器， 用镜子和光来运行量子计算。
量子竞赛还没有解决，正如本周发表在《自然》杂志上的一篇论文所述，赛道上有一匹新马。由能源部阿贡国家实验室领导的一组科学家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，而是发现和构建一个全新的量子比特系统，从而实现一个理想的平台，”Argonne 的科学家和该项目的首席研究员金大飞在一份新闻稿中说.
关键突破？霓虹冰。
该团队将氖气冷却到接近绝对零，此时它凝固了。然后，他们用来自灯泡灯丝的电子喷洒固体氖的表面。电子被困在表面上，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，但也让它们无处安放。一旦被俘获，电子就可以通过电极移动并用微波谐振器测量它们的状态——这是论文中概述的一个关键进展。
“微波谐振器至关重要地提供了一种读取量子比特状态的方法，”圣路易斯华盛顿大学物理学教授、该论文的高级合著者 Kater Murch 说。 “它集中了量子比特和微波信号之间的相互作用。这使我们能够通过测量来判断量子比特的工作情况。”
这不是科学家第一次尝试将电子变成量子比特。但是，在 1990 年代之前尝试将粒子捕获在氦表面上的尝试被证明太困难了。氦即使在低温下也是液体，液体的晃动会干扰电子。另一方面，霓虹冰为电子量子比特提供了一个非常稳定的家。
该团队表示，理想的量子比特需要保持叠加或凝聚状态超过一秒，在十亿分之一秒内改变状态，并与其他量子比特大规模纠缠。测量其电子量子位的特性，他们发现量子位保持叠加 220 纳秒，并在几纳秒内改变状态。该性能与多年来正在开发的现有最先进量子比特相当。
他们相信系统的简单性有助于低成本制造，但规模化是不确定的。 “我不能说我有一个明确的答案，”Jin告诉IEEE Spectrum 。 “这仍然是所有量子比特平台共同面临的问题。我们可能有一些方法可以做得比超导量子比特更好，并且接近于被俘获的离子。但在短期内实现数百个量子比特并不容易。”
尽管如此，科学家们表示他们才刚刚开始完善该平台。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纠缠多个量子位来进一步提高相干性。
不过，从总体上看，这项工作还处于开发的早期阶段。相比之下，IBM 去年推出了具有 127 个超导量子位的量子芯片，并希望在今年完成一个具有 433 个量子位的芯片，并在 2023 年完成另一个具有 1,121 个量子位的芯片。与此同时，捕获离子量子计算机的量子位更少，但它们已经实现了保真度更高。
即便如此，后来者也有可能超越竞争。超导量子位很挑剔，需要数千或百万个量子位芯片来进行纠错。这就是为什么微软将赌注押在一种有风险的、仍然是假设的、但在理论上更具可扩展性的方法上，这种方法称为拓扑量子比特。这一探索使他们落后于竞争对手多年，但他们相信，如果成功，拓扑量子比特可以让他们领先于竞争对手。
事实是，尽管有人声称即将实现实用性，但目前尚不清楚我们在真正有用的量子计算机的时间线上的确切位置。
马里兰大学凝聚态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写道： “当前的问题是，按照今天的情况，量子计算的发展应该放在那个时间线上。” “是 1903 年的莱特兄弟吗？ 1940 年左右的第一架喷气式飞机？或者，也许我们还可以追溯到 16 世纪初，还有达芬奇的飞行器？我不知道。其他人也不会。”
因此，尽管每家公司和研究小组都热切地相信它的方法将是一种可扩展的方法，但杀手量子比特（可能是霓虹冰上的电子）可能只是刚刚出现或尚未发明。
图片来源：由固体氖上的单个电子组成的新量子比特的插图。金大飞/阿贡国家实验室提供