Nature：固体氖上的单电子作为固态量子比特平台

一、【导读】

近年来，随着量子信息科学与技术的快速发展，各种量子比特平台在量子信息处理的各个领域取得了显著成效。在不同的量子信息载体中，孤立的单电子通过量子电动力学（QED）自然地与光子相互作用，这是有效操纵和远程纠缠的最直接方法。到目前为止，电子量子比特主要是在半导体异质结和半导体-氧化物界面中制造的。尽管标准化的器件制造和方便电气控制，这些电子量子比特面临的一个主要挑战是由于材料缺陷或背景噪声导致的有限相干时间，在遭遇外界干扰时都异常脆弱，极大阻碍了量子计算机的发展。

二、【成果掠影】

近日，美国阿贡国家实验室金达飞团队报道了在真空中，基于超净固体氖表面捕获孤立单电子的量子比特平台，创造一个不受环境干扰的固态量子比特。通过在混合电路QED结构中集成电子陷阱，研究人员观察到单个电子和单个微波光子运动状态之间的真空拉比劈裂，为该系统在微波频率下实现电子电荷量子比特的量子相干控制和色散读出奠定了基础。在没有优化的情况下，测得能量弛豫时间T₁= 15 μs，相位相干时间T₂ ≳ 200 ns。这些结果表明，对于电荷量子比特，电子在固体氖量子比特上的表现，已经接近现有技术水平。与传统量子比特相比，这种量子比特受到的干扰很少，因此要更加稳定，有望被用作量子计算机的理想构建块。该论文以题为“Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform”发表在知名期刊Nature上。

论文发表后得到了IEEE的关注（Frozen Neon Invention Jolts Quantum Computer Race），通过将氖冻结成固体，并将加热的灯丝产生的电子喷射到氖冰的表面，研究者捕获了单个电子以创建更加稳定、不受干扰的量子比特，可以媲美科学家们研究了20年的基于电荷的量子比特。

三、【核心创新点】

1、由惰性气体（氖气）冻结成的固体是自然界中惰性最高、最纯净的固体，可以保护量子比特不受环境干扰。

2、新的量子比特已经可以在叠加状态下保持220 ns，并在几纳秒内改变状态，这可以媲美科学家们研究了20年的基于电荷的量子比特。

四、【数据概览】

图一、固体氖量子比特单电子电路QED结构的电子结构和器件设计 © 2022 Springer Nature

（a）过剩电子接近平面固体氖表面所获得的势能，并计算了z轴向运动中的基态本征能和波函数。

（b）平面内捕获势的示意图，定义了y方向上的运动状态量子比特。

（c）单个孤立电子被困在固体氖表面上并与超导共面带状线谐振器开口端的微波相互作用的示意图。

（d）电子陷阱和光子耦合区域周围制造的器件的扫描电子显微镜照片。

（e）不同组件的特定设备结构和功能。

（f）在氖气填满通道前（f_r = 6.4266 GHz）和后（f_r  = 6.2795 GHz）测量的谐振峰，显示拟合的谐振器线宽κ/2π = 0.4 MHz。

图二、固体氖上的孤立电子和超导谐振器中的单个微波光子之间的强耦合和真空拉比劈裂 © 2022 Springer Nature

（a）在谐振器频率f_r （插图中的黑色和白色垂直箭头）处探测的归一化微波传输幅度(A/A₀)²与陷阱电压V_t和谐振器保护电压V_rg的关系。

（b）归一化(A/A₀)²与失谐探头频率Δf_p = f_p − f_r和谐振器保护电压ΔV_rg在具有固定V_t的（a）中的白色水平箭头指示的区域中的谐振条件失谐。

（c）（b）中白色虚线处量子比特频率f_q与谐振器频率f_r 谐振时微波传输幅度与失谐探头频率的关系。

图三、单电子固体氖量子比特的光谱学和时域表征 © 2022 Springer Nature

（a）在谐振器频率f_r 与失谐泵浦频率Δf_s  =f_s −f_r 和谐振器保护电压V_rg下的传输相位φ的双音量子比特光谱测量。

（b）通过透射测量对单电子量子比特状态的色散读数图示。

（c）在固定脉冲幅度和变化的脉冲长度t_pulse下测量的激发态布居数P_e的拉比振荡。

（d）具有拟合弛豫时间T₁ = 15 μs的量子位弛豫测量。

（e）测量的拉比频率Ω_R对门脉冲振幅的线性关系。

（f）用拟合原始相干时间T₂^*=50 ns和扩展相干时间T_2E = 220 ns测量的Ramsey条纹和Hahn回波。

五、【成果启示】

通过在真空中的超净固体氖表面上，捕获和操纵孤立的单电子创造的新型固态量子比特平台（eNe）融合了几个领先量子比特平台最引人注目的优势：（1）与电磁俘获离子类似，这里的电子量子比特是由一个简单的源产生的，可以有很长的自旋相干时间；（2）与半导体量子点一样，电子门控制可以高速应用；（3）通过与电路QED结构的强耦合，可以通过微波谐振器介导的相互作用实现色散读出、转换到微波光子和两个量子比特门。鉴于这些优点，eNe量子比特平台将迅速发展成为一个优秀的量子计算硬件。此外，eNe量子比特可以通过微波接口与其他量子信息系统连接，能够共同推进量子传感、转导、网络和量子科学和基础物理的其他重要领域。

文献链接：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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