美国科学家在硅量子器件中发现了一种隐藏的原子尺度无序现象，这或许能回答一个长期困扰量子计算领域的问题：为什么某些量子比特会失效或表现不一致？

这项研究由阿贡国家实验室（ANL）的团队完成，研究对象是英特尔公司工业制造的一款12量子比特级硅量子点处理器。研究人员利用高灵敏度测量手段，在纳米尺度上绘制了材料的微观变化图谱，最终将量子比特的稳定性问题追溯到原子层面的随机变动。

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研究团队表示，这一发现有望推动更可靠的硅量子比特研发，并为构建更大规模的量子计算机铺平道路。硅自旋量子比特之所以被寄予厚望，是因为它们可以沿用现有半导体制造工艺。阿贡实验室称：“这项研究表明，量子阱中原子尺度的无序是谷分裂变异性的主要来源。”

与传统计算机比特用0或1表示信息不同，硅自旋量子比特依赖单个电子的自旋。在磁场中，电子自旋可指向向上或向下，类似微小的指南针。为制造这种量子比特，科学家需要将单个电子捕获在极薄的硅层内，这层硅被称为量子阱。硅中的电子还拥有另一种量子属性——谷态，而谷态之间的能量差被称为谷分裂。

谷分裂会与用于量子计算的电子自旋态形成竞争。一旦谷分裂过小，电子就可能泄漏到不需要的谷态中，导致计算错误并降低量子比特的保真度。此前，不同器件之间谷分裂的差异很大，尽管研究人员怀疑材料缺陷和不一致性是影响因素，但其根本原因一直不清楚。

此次研究通过纳米级精确测量，首次揭示了隐藏的原子级无序如何影响量子比特性能，为解释量子计算中的“玄学”问题提供了直接证据。