Nature：固體氖上的單電子作為固態量子比特平臺

一、【導讀】

近年來，隨著量子信息科學與技術的快速發展，各種量子比特平臺在量子信息處理的各個領域取得了顯著成效。在不同的量子信息載體中，孤立的單電子通過量子電動力學（QED）自然地與光子相互作用，這是有效操縱和遠程糾纏的最直接方法。到目前為止，電子量子比特主要是在半導體異質結和半導體-氧化物界面中制造的。盡管標準化的器件制造和方便電氣控制，這些電子量子比特面臨的一個主要挑戰是由于材料缺陷或背景噪聲導致的有限相干時間，在遭遇外界干擾時都異常脆弱，極大阻礙了量子計算機的發展。

二、【成果掠影】

近日，美國阿貢國家實驗室金達飛團隊報道了在真空中，基于超凈固體氖表面捕獲孤立單電子的量子比特平臺，創造一個不受環境干擾的固態量子比特。通過在混合電路QED結構中集成電子陷阱，研究人員觀察到單個電子和單個微波光子運動狀態之間的真空拉比劈裂，為該系統在微波頻率下實現電子電荷量子比特的量子相干控制和色散讀出奠定了基礎。在沒有優化的情況下，測得能量弛豫時間T₁=?15?μs，相位相干時間T₂ ??200?ns。這些結果表明，對于電荷量子比特，電子在固體氖量子比特上的表現，已經接近現有技術水平。與傳統量子比特相比，這種量子比特受到的干擾很少，因此要更加穩定，有望被用作量子計算機的理想構建塊。該論文以題為“Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform”發表在知名期刊Nature上。

論文發表后得到了IEEE的關注（Frozen Neon Invention Jolts Quantum Computer Race），通過將氖凍結成固體，并將加熱的燈絲產生的電子噴射到氖冰的表面，研究者捕獲了單個電子以創建更加穩定、不受干擾的量子比特，可以媲美科學家們研究了20年的基于電荷的量子比特。

三、【核心創新點】

1、由惰性氣體（氖氣）凍結成的固體是自然界中惰性最高、最純凈的固體，可以保護量子比特不受環境干擾。

2、新的量子比特已經可以在疊加狀態下保持220 ns，并在幾納秒內改變狀態，這可以媲美科學家們研究了20年的基于電荷的量子比特。

四、【數據概覽】

圖一、固體氖量子比特單電子電路QED結構的電子結構和器件設計 ? 2022 Springer Nature

（a）過剩電子接近平面固體氖表面所獲得的勢能，并計算了z軸向運動中的基態本征能和波函數。

（b）平面內捕獲勢的示意圖，定義了y方向上的運動狀態量子比特。

（c）單個孤立電子被困在固體氖表面上并與超導共面帶狀線諧振器開口端的微波相互作用的示意圖。

（d）電子陷阱和光子耦合區域周圍制造的器件的掃描電子顯微鏡照片。

（e）不同組件的特定設備結構和功能。

（f）在氖氣填滿通道前（f_r?=?6.4266?GHz）和后（f_r??=?6.2795?GHz）測量的諧振峰，顯示擬合的諧振器線寬κ/2π?=?0.4?MHz。

圖二、固體氖上的孤立電子和超導諧振器中的單個微波光子之間的強耦合和真空拉比劈裂 ? 2022 Springer Nature

（a）在諧振器頻率f_r?（插圖中的黑色和白色垂直箭頭）處探測的歸一化微波傳輸幅度(A/A₀)²與陷阱電壓V_t和諧振器保護電壓V_rg的關系。

（b）歸一化(A/A₀)²與失諧探頭頻率Δf_p?=?f_p???f_r和諧振器保護電壓ΔV_rg在具有固定V_t的（a）中的白色水平箭頭指示的區域中的諧振條件失諧。

（c）（b）中白色虛線處量子比特頻率f_q與諧振器頻率f_r?諧振時微波傳輸幅度與失諧探頭頻率的關系。

圖三、單電子固體氖量子比特的光譜學和時域表征 ? 2022 Springer Nature

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（a）在諧振器頻率f_r?與失諧泵浦頻率Δf_s??=f_s??f_r?和諧振器保護電壓V_rg下的傳輸相位φ的雙音量子比特光譜測量。

（b）通過透射測量對單電子量子比特狀態的色散讀數圖示。

（c）在固定脈沖幅度和變化的脈沖長度t_pulse下測量的激發態布居數P_e的拉比振蕩。

（d）具有擬合弛豫時間T₁?=?15?μs的量子位弛豫測量。

（e）測量的拉比頻率Ω_R對門脈沖振幅的線性關系。

（f）用擬合原始相干時間T₂^*=50?ns和擴展相干時間T_2E?=?220?ns測量的Ramsey條紋和Hahn回波。

五、【成果啟示】

通過在真空中的超凈固體氖表面上，捕獲和操縱孤立的單電子創造的新型固態量子比特平臺（eNe）融合了幾個領先量子比特平臺最引人注目的優勢：（1）與電磁俘獲離子類似，這里的電子量子比特是由一個簡單的源產生的，可以有很長的自旋相干時間；（2）與半導體量子點一樣，電子門控制可以高速應用；（3）通過與電路QED結構的強耦合，可以通過微波諧振器介導的相互作用實現色散讀出、轉換到微波光子和兩個量子比特門。鑒于這些優點，eNe量子比特平臺將迅速發展成為一個優秀的量子計算硬件。此外，eNe量子比特可以通過微波接口與其他量子信息系統連接，能夠共同推進量子傳感、轉導、網絡和量子科學和基礎物理的其他重要領域。

文獻鏈接：Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform ( Naure 2022, 605, 46-50)

本文由大兵哥供稿。

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