量子计算机有可能成为革命性的工具，因为它能够执行传统计算机需要多年才能解决的计算。
但要制造一台有效的量子计算机，你需要一个可靠的量子位，或者说量子比特，它可以在足够长的时间内同时处于 0 或 1 状态，这被称为相干时间。
一种有希望的方法是将单个电子捕获在固体氖表面上，称为电子-固体氖量子比特。由佛罗里达新墨西哥大学-佛罗里达州立大学工程学院教授郭伟领导的一项研究发表在《 物理评论快报》上，该研究 对描述这种量子比特上电子状况的量子态提供了新的见解，这些信息可以帮助工程师构建这种创新技术。
郭教授的团队发现，量子比特中固体氖表面的小凸起可以自然地束缚电子，从而产生这些电子的环状量子态。量子态是指电子在被测量之前的各种属性，例如位置、动量和其他特性。当凸起达到一定尺寸时，电子的跃迁能量(电子从一个量子环态移动到另一个量子环态所需的能量)与另一种基本粒子微波光子的能量一致。
这种排列可以实现对电子的控制操纵，这是量子计算所需要的。
郭说：“这项研究极大地推进了我们对有前途的量子计算平台上电子捕获机制的理解。它不仅澄清了令人费解的实验观察结果，还为电子在固体氖量子比特上的设计、优化和控制提供了重要见解。”
郭及其合作者之前的研究 证明了使用固体氖捕获的电子的固态单电子量子比特平台的可行性。最近的研究表明，相干时间长达 0.1 毫秒，比传统半导体和超导体电荷量子比特的典型相干时间 1 微秒长 100 倍。
相干时间决定了量子系统维持叠加状态的时间，即系统在被测量之前同时处于多种状态的能力，这是赋予量子计算机独特能力的一个特性。
电子-固体氖量子比特的延长相干时间可以归因于固体氖的惰性和纯度。该量子比特系统还解决了液体表面振动的问题，这是更广泛研究的电子-液氦量子比特所固有的问题。当前的研究为进一步优化电子-固体氖量子比特提供了重要见解。
优化的关键部分是创建在大部分固体氖表面上光滑的量子比特，但在需要的地方有合适大小的凸起。设计师希望表面上自然产生的凸起最少，以吸引破坏性的背景电荷。同时，在量子比特上的微波谐振器内故意制造正确尺寸的凸起可以提高捕获电子的能力。
郭说：“这项研究强调了进一步研究不同条件如何影响氖量子比特制造的迫切需要。”“氖注入温度和压力会影响最终的量子比特产品。我们对这个过程的控制越多，我们就能构建得越精确，我们就越接近能够解决目前无法管理的计算的量子计算。”
该论文的共同作者是佛罗里达州立大学物理系前研究生 Toshiaki Kanai 和圣母大学副教授 Dafei Jin。
该研究得到了国家科学基金会、戈登和贝蒂摩尔基金会以及空军科学研究办公室的支持。
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