Coherent oscillations in weakly anharmonic NbSe2 qubit

构建能够以当今计算机无法实现的思维和计算方式运行的机器，其核心在于一种被称为“量子比特”（qubit）的微小且脆弱的信息单元。与标准计算机中非零即一的比特不同，量子比特可以同时处于两种状态的微妙叠加态，但前提是必须将其与嘈杂、混乱的外部世界完美隔离。为了实现这一点，科学家通常使用超导电路，这是一种在冷却至接近绝对零度时可以无电阻承载电流的电回路。这些电路的核心是一个特殊的结（junction），它充当着“守门人”的角色，让量子比特能够表现得像一个量子振荡器。多年来，研究人员一直使用铝这种制造工艺成熟的材料来构建这些结；然而，铝存在局限性：它容易产生微观缺陷，并且难以在强磁场中工作，这阻碍了科学家将这些强大的量子工具用于某些类型的宇宙侦探工作，例如寻找可能构成暗物质的不可见粒子。

为了克服这些障碍，一支研究团队转向了被称为“范德华固体”（van der Waals solids）的一类不同材料。想象一下这些材料就像一叠超薄的纸片，类似于一副扑克牌，每一层都可以被剥离并以原子级的精度重新堆叠。这些材料提供了比铝更洁净、更完美的内部结构，有望保护量子比特免受导致其失去量子态的缺陷影响。虽然科学家已经成功利用石墨烯（一种单层碳材料）制造出了量子比特，但尚未能在该家族的其他极具前景的候选材料中成功创建出工作的量子比特。在一项新的研究中，研究人员成功构建并测试了一个使用二硒化铌（niobium diselenide）制造的量子比特，这种材料不仅是一种超导体，而且对磁场具有极强的抵抗力。这一成就标志着首次使用这种特定材料制造出量子比特，为开发更稳健、能在铝失效的环境中运行的量子设备开启了大门。

研究人员通过取两片极其微小的二硒化铌薄片（每片厚度仅约十到十五纳米），并将其小心地重叠在一起，从而创造出一个两层相遇的结。他们将这个精密的结放置在一个空心的铝盒内，该铝盒作为一个谐振器，有助于控制和读取量子比特的状态。为了确保结能正常工作，他们将其连接到大型铝垫上，并在整个装置周围安装了过滤器，以阻挡杂散热量和辐射。实验是在一个专门的实验室中进行的，温度被冷却到约二十毫开尔文（仅比绝对零度高出极微小的部分），以确保材料保持超导状态。通过向盒子内发送微波脉冲，团队可以探测该结的行为，并观察其是否表现得像一个量子振荡器。

他们发现，该装置的表现完全符合一个“弱非谐振子”（weakly anharmonic oscillator）的特征，这意味着它能够在保持量子信息的同时，抵御通常会破坏量子态的噪声。当研究人员增加输入信号的功率时，腔体的共振发生了偏移，表明该材料表现出一种“软化”振荡器的行为，这是一种特定的非线性行为。值得注意的是，即使在研究人员引入了显著的热噪声（相当于在腔内增加了五到十个光子的热能）时，设备依然保持稳定。这种鲁棒性远高于在同类层状材料制成的量子比特中所观察到的水平。此外，团队还展示了通过调节输入信号的功率，他们可以使振荡器的行为从“软化”转变为“硬化”，从而有效地改变其非线性的符号。这种对设备基本属性进行调控的能力，表明对量子系统具有高度的控制力。

对于任何量子比特而言，最关键的测试是它在失去相干性之前能保持量子态的时长，这一特性由“弛豫时间”（relaxation time）这一数值来衡量。在本实验中，二硒化铌量子比特维持其状态的时间为6.5微秒，这一时长大约是此前石墨烯基量子比特所取得的最佳结果的一百倍。这种延长的寿命很可能是由于二硒化铌极高的晶体质量（最大限度地减少了破坏量子态的内部缺陷），以及该材料承受更高电流的能力。团队还观察到了量子比特状态中清晰且有节奏的振荡（称为拉比振荡），这证实了该设备可以被精确地操控。虽然由于控制脉冲所需的时长过长，他们未能测量出完整的退相干时间，但仅凭弛豫时间本身就代表了该类材料领域的一次巨大飞跃。

这项工作有力地证明了范德华材料可以成功整合到量子技术中，为开发比当前基于铝的系统更耐用、更多功能的设备提供了路径。二硒化铌在强磁场中工作的能力尤其重要，因为它表明这些量子比特最终可以用于探测暗物质的实验——这项任务需要将量子传感器直接置于强大的磁铁内部，而传统的铝基量子比特在那种环境下会停止工作。虽然目前的设备具有一定的非线性，这限制了它在某些类型计算中的易用性，但研究人员指出，通过调整结的大小或使用更精确的制造技术，可以在未来的设计中对这一参数进行微调。通过证明可以用这种材料制造出量子比特并使其表现出如此高的相干性，这项研究为下一代量子传感器和量子计算机奠定了坚实的理论基础，弥合了奇异材料与实际量子应用之间的鸿沟。