碳纳米管门控量子比特：分子尺度超导量子器件的突破

研究人员通过将单壁碳纳米管集成到超导量子电路中，首次实现了基于单分子的门控量子比特（gatemon qubit）。该研究利用六方氮化硼（hBN）衬底实现超净集成，创下碳纳米管量子器件200 ns的相干时间记录，揭示了电荷噪声是限制相干性的关键因素。这项工作为探索低维量子导体中的微观费米子过程提供了新平台，并推动碳基材料在量子技术中的应用。

　　

在量子计算领域，超导量子比特已成为最有前景的技术路线之一。传统超导量子比特依赖于约瑟夫森隧道结作为非线性元件，但近年来科学家尝试用量子导体作为弱链接构建混合约瑟夫森结，从而发展出可电压调谐的"门控量子比特"（gatemon）。然而现有门控量子比特均基于扩展导体（如半导体纳米线或石墨烯），其多通道特性可能引入复杂的退相干机制。更关键的是，这些体系难以揭示单个传导通道中的微观费米子物理过程。

在此背景下，由H. Riechert等组成的研究团队在《Nature Communications》发表了突破性成果。研究人员创新性地采用单分子——碳纳米管作为约瑟夫森结的核心元件，利用其准一维特性和有限的电子自由度，成功实现了迄今最干净的碳基量子器件集成。这项研究通过机械转移法将碳纳米管与六方氮化硼（hBN）衬底结合，构建出超导电路量子电动力学（cQED）架构，其关键创新在于：

1. 采用hBN封装技术隔绝环境扰动

2. 通过顶部栅极实现4GHz范围的量子比特频率电调谐

3. 结合微波谐振腔实现量子态非破坏性测量

研究结果部分揭示了多项重要发现：

架构设计

通过将碳纳米管悬浮连接在Nb-Au双层电极之间，形成栅压可调的约瑟夫森结。电输运测量显示其临界电流可达8nA，等效约瑟夫森能量E_J在数百MHz至8GHz间可调。

光谱特征

器件A展现出典型的量子点行为，栅压谱中出现尖锐峰对应奇偶电荷宇称转变（0-π量子相变）；而器件B则呈现平滑调谐特性，反映电极强耦合状态。两器件分别测得50MHz和120MHz的量子比特-谐振腔耦合强度g。

量子操控

在4.32GHz工作频率下观测到107MHz的拉比振荡，并首次测得碳纳米管量子比特高达200ns的退相干时间T₂。研究发现T₁弛豫时间与栅压相关，最高达942ns；而T₂随E_J/E_C比值呈指数增长，证实电荷噪声是主要退相干源。

微观机制

通过分析安德烈夫束缚态（Andreev bound states）的栅压依赖性，发现当费米子基态为奇宇称时量子比特失去相干性，这可能是由于库仑阻塞效应导致的基态简并。

这项研究的意义在于：首先，将碳纳米管量子比特的相干时间提升至传统半导体门控量子比特水平，比石墨烯体系提高4倍；其次，建立了研究一维体系中电子关联效应的新范式，为探索维格纳晶体等强关联态提供可能；最后，提出的超净集成方案为未来实现拓扑保护量子比特奠定基础。论文最后指出，通过优化E_J/E_C比值和降低界面缺陷，碳纳米管门控量子比特有望成为研究低维量子材料与超导电路协同效应的理想平台。