量子电子光学世界通过精确喷射单个电子而扩展

量子电子光学世界通过精确喷射单个电子而扩展

2024/02/14

通过精确地喷射一个电子来传播量子电子光学的世界 从建立量子电流标准到实现电子量子计算机

量子计算机的发展正在加速。作为运算子的量子比特有超导、离子、光学、电子等多种类型，世界各地正在以实现量子计算机为目标进行开发。 AIST，物理测量标准研究部，半导体中创建的纳米结构“量子点”中捕获的单个电子,开发出可以将一个量子点自由移动到另一个量子点的技术我做到了。这项利用表面声波移动单个电子的技术有潜力通过测量微电流建立量子电流标准，为未来量子计算机的实现铺平道路。

表面声波进行的“单电子冲浪”

　高田慎太郎是物理测量标准研究部的高级研究员（接受采访时），2008 年秋天开始涉足控制和精确移动单电子，当时他还是一名本科四年级的学生。在我所属的东京大学实验室里，我试图将单个自由电子限制在半导体中称为量子点的纳米结构中，并利用电子自旋的方向和相位来创建量子位，即量子计算机的运算符。这项研究是在一个一切都在 -273 摄氏度和 1 K（开尔文）的环境中进行的，这与日常生活相比是极低的。

　要实现量子计算机，不仅需要将单个电子限制在一个量子比特内，还需要将电子从被限制的量子点“飞”到另一个量子点。此时，保存电子携带的信息，即保存自旋方向和相位信息，是必不可少的前提。”高田说。

　高田和他的同事们一直在研究的方法想象电子在波浪上移动，就像它们在冲浪一样。电子在此传播的“波”称为表面声波。表面声波是工程中使用的相对流行的波，例如在智能手机中，它们被用作滤波器，仅允许必要的频率通过。

　“表面声波在半导体基板上产生。这些是在半导体表面传播的振动波。这为单个电子提供能量并导致它们飞行，”高田解释道。

　这里所讨论的半导体衬底是镓和砷的化合物半导体。这是一种压电材料，具有在施加电压时膨胀和收缩，并在施加力时产生电压的特性。当电极附着在表面并施加交流电压时，由于不同原子的特性而产生原子波，并且这些振动产生表面声波。

　高田首先决定使用叉指换能器（IDT）来使这些表面声波足够强大以携带电子。通过使用 IDT，可以使用多个电极而不是仅一个电极来施加电场，从而可以倍增波。如果梳齿之间的间距控制得当，每个电极产生的波将重叠并相互加强。波浪的形状是先微弱，逐渐变强，到一定强度后又减弱的突发结构。单个电子被放置在该波上的某个位置，并被传送到不包含任何自由电子的空量子点。

　“这与电子冲浪的形象完美契合，电子乘风破浪。”高田于 2011 年在电子冲浪方面取得了成功，当时他正在攻读博士学位。然而，此时还无法确认在量子点之间移动的电子的自旋状态是否得到维持。

　这项研究不仅需要设计关键的IDT，还需要调整传输电子以产生声表面波所需的所有条件，并且需要耐心地继续详细工作。 Takada 等人设计了一种制备样品的方法。成功评估了电子传输前后的自旋状态。 2016 年，他们演示了“单电子冲浪”，即在表面声波上传输单个电子，同时保持其电子自旋。^*1

　在了解了高田的精密电子控制技术后，计量标准中心首席研究员金子信久找到了他。金子相信，高田的专业“单电子冲浪”技术可能会导致建立量子水平的电流标准，但这一目标尚未实现。

通过“单电子冲浪”实现量子级电流标准

　金子和他的同事所属的计量标准中心正在对各种日本测量标准进行研究和开发。关于电的标准有多种，但作为电压的量子级标准，已经制定了“约瑟夫森效应电压标准”，作为电阻的量子级标准，已经制定了“霍尔效应电阻标准”。然而，“电流”在量子层面仍然没有精确的标准，“电流”是指单位时间内移动的电子数量。

　“我认为高田先生的技术可以用来确定‘当前’量子力学，这是一项非常有吸引力的技术，”金子回忆道。

现在，如果“单电子冲浪”成为可能，我们如何制定现行标准？在通过“单电子冲浪”传输电子的实验中检测到的电荷数据表明，发生的步长是最小步长的两倍或三倍。这是基本电荷e和频率f波激发时，如果该波中有一个电子e×f, 2ef，3 换 3ef对应于离散电流阶跃的发生。换句话说，定义的量是基本电荷并且e和频率由原子钟极其精确地确定f

　然而，当试图利用当时爆发波产生的“单电子冲浪”创建量子电流标准时，存在两个问题。

　第一个问题是，理论上，一个波应该包含一个电子，但它经常变成两个或零。当我说“经常”时，我指的是数万次中的一次，这通常是一个非常小的不确定性，但在试图创建具有量子级精度的当前标准时，它成为一个主要障碍。

　第二个问题是交流电压的频率f100兆（10⁶) 赫兹，1 千兆 (10⁹)即使以较大的赫兹运行，也只能产生极少量的电流，不到1安培。这使得它很难用作标准。

从爆发波到孤波冲浪

　高田长期以来一直担心这样一个事实：当使用突发波冲浪时，无法辨别电子在众多连续的表面声波中的位置。当时，AIST同一小组的研究表明，如果传输电子的波前后存在波，则传输的单个电子的自旋方向和相位可能会受到影响。

　高田根据实验结果开始了新的研究。这项研究的目的是让冲浪不再是突发的波浪，而是单一的、孤立的波浪——孤立的波浪。

　这个想法是使用物理学家保罗·狄拉克设计的δ函数。这是一个函数，其中一点密度为无穷大，其余点密度为 0。换句话说，它是一个在一个地方极其陡峭的函数，其想法是创建这样的波脉冲。如果我们对这个函数进行傅立叶变换，并在频域中表达，当所有频率均匀混合时，一个大波将只站在一个点上。”

　“Chirp IDT”就是为了实现这一点而设计的。 Chirp 意味着频率随时间变化。如下图所示，在Chirp IDT中，梳齿之间的间距向右变窄，从而可以在很宽的频率范围内产生表面声波。通过对其施加适当的时变高频电压，可以将具有相同相位的多种表面声波叠加，从而产生一个大波。

　2018 年夏天，在室温下使用线性调频 IDT 来评估器件已成为可能。接下来是低温下的评价。最初，他们制作了一种结合了线性调频 IDT 和常规 IDT 的低温器件原型，但这个实验进展并不顺利。因此，我们开发了用于运行评估的IDT，并研究了线性调频IDT在低温下的运行条件，并成功地使其在低温下的最佳条件下运行。 2021年这个低温实验成功，2022年论文发表。^*2

孤波冲浪可测量最小电流

　既然单个电子可以在孤立波中冲浪，是否有可能实现量子电流标准所必需的“只有一个电子总是骑在单个波上”？

　我们已经使用 chirp IDT 创建了一个几乎总是可以携带一个部件的元件。^-7) 的概率发生错误的元素。问题在于交通密度，”高田说。

　每秒 10 吉赫兹突发波⁹电子，但为了产生孤立波，必须重叠所有生成的波，并且在一系列线性调频 IDT 中只能传输一个电子。创造出只有一个电子在一个波上运行的极高品质的微电流已经成为可能，实现量子电流标准的第一个问题已经接近解决，但第二个问题，即创造大电流，变得更加困难。 “下一个挑战是每秒可以生成多少使用 delta 函数的孤立波，”高田说。

　Kaneko表示，利用孤立波冲浪测量极小电流在各个领域都有潜在的应用，包括辐射和空气污染物的测量、先进洁净室的测量，甚至物联网设备功耗的实时测量。

　还有一些领域需要产生更高质量、更小的电流。 pA（皮安，10^-12A) 或 fA（飞安，10^-15A) 是一种标准，可以在需要电流表能够精确测量极小电流的地方精确测量微小电流。”

通过精确喷射电子来扩展新型量子计算机的可能性

　如果能够精确传输一个电子，其应用范围将超出标准。引起关注的一项应用是量子计算机。近年来研究的量子计算机正在使用各种类型的量子点进行研究，例如超导电路类型和离子陷阱类型。利用受控电子自旋的量子计算机的研究也在积极进行，但现在使用的主要材料是硅，而不是高田使用的砷化镓。这是因为与使用砷化镓的材料相比，硅具有更长的相干时间，即维持自旋量子态所需的时间。然而，由于硅不是压电材料，因此即使对其施加电场也不会产生表面声波。量子点紧密排列在一起，对每个量子点施加栅极电压，使单个电子四处移动，但尚未达到平滑、高速冲浪的水平。

　我们目前正在进行将镓、砷化物等压电薄膜附着在硅上的研究。但是，我认为目前还不能断言压电薄膜技术是否会应用于使用硅自旋量子位的量子计算机并成为主要方法。

此外，高田不仅开始研究使用硅自旋量子位的量子计算机，而且基于前所未有的“量子电子光学”新理念，开始研究使用单电子的量子计算机。

　高田说：“使用光的量子计算机目前正在经历有趣的发展。”一种使用光的量子计算机是“环型光学量子计算机”，东京大学的一个团队正在研究这种计算机。环路型光量子计算机具有光纤围绕一个基本光运算电路形成环路的结构。该循环充当一种存储器，循环中存储的光脉冲数量决定了可以执行的计算规模。

　作为一个希望能够自由操纵电子进行研究的人，我想知道是否可以用单个电子来完成类似的事情。单个电子作为波包一个接一个地穿过环路，在这种情况下，我认为它更像是“飞行”电子而不是“冲浪”。''

　在单电子的情况下，半导体中创建的波导变成环而不是光纤。因此，它比光纤更容易集成，并且有潜力制造大容量的量子计算机。此外，虽然光具有较长的相干时间，可以提高计算的准确性，但它不太可能引起量子计算所必需的量子纠缠现象。另一方面，电子具有不同的特性：它们的相干时间很短，但它们容易发生量子纠缠。

　相干性和量子纠缠是相互矛盾的性质。通过进一步发展从“单电子冲浪”研究中获得的知识，我们可以创建单电子量子比特，在相干时间内以越来越高的速度将它们纠缠在一起，并完成计算。我们希望使这成为现实，”高田说道，展望“精密电子控制”的未来。

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*1：Bertrand, B、Hermelin, S、Takada, S等使用单个电子在遥远的量子点之间进行快速自旋信息传输。自然纳米技术11, 672–676 (2016)。[返回来源]
*2：王俊良等人。 “单周期声脉冲的生成：单电子电路传输的可扩展解决方案。”物理审查 X 12.3 (2022): 031035.[返回来源]