国际联合研究小组，成员包括日本理化学研究所突发物质科学中心量子电子器件研究组特约研究员伊藤亮、团队负责人山本道一、量子功能系统研究组组长田鲁茶诚吾和米乐m6官方网站物理测量标准研究部研究员高田慎太郎※控制声波传输的单个电子的量子力学运动，并且8019_8055|轨道状态[1]量子位[2]的电气操作首次被实现。
本研究成果使用了传播电子量子计算机[3]
「飞行量子位[4]”的量子位构建的由于传播光子和电子，构建该系统所需的硬件将比其他使用固态的量子计算机系统小得多。然而，适用于构建量子计算机系统的使用电子对固态飞行量子位进行电操纵的技术尚未实现。
这次，国际联合研究小组在砷化镓（GaAs）半导体衬底中准备了两条路径（电子路径），电子隧道效应[5]允许您在路线之间移动。它是一种声波表面声波[6]8772_8848分束器[7]''已经实现。
这项研究发表在科学杂志'物理评论信''将以在线版本发布（截至2月16日）。
表面声波电子传输概念图和样品电子显微照片
※国际联合研究组理化学研究所突发物质科学中心
量子电子器件研究团队
特别研究员伊藤亮
团队负责人山本道久
量子功能系统研究小组
集团董事 Seigo Tarucha
米乐m6官方网站物理测量标准研究部
研究员高田慎太郎
波鸿鲁尔大学实验物理系
研究员阿恩·路德维希
安德烈亚斯·D·维克教授
研究支持本研究基于日本科学技术振兴机构 (JST) 战略基础研究推进项目 CREST“创建基于先进量子态控制的创新量子技术基础设施（研究主管：荒川泰彦）”的研究主题“半导体离域量子位的量子控制（首席研究员：山本道久）”，以及日本学术振兴会（JSPS）的资助新学术领域科学研究补助金（研究领域提案型） 这项工作得到了“混合量子科学”的“固体中电子波的量子纠缠控制（负责人：山本道久）”、“通过量子对的空间控制来研究新的固态电子特性（研究负责人：樽茶诚吾）”、“量子基础技术的开发”的资助使用单次飞行电子的电子光学实验”（首席研究员：高田慎太郎）。
近年来，研究表明量子计算机具有执行传统计算机难以完成的任务的潜力，并且人们尝试在许多物理系统中构建量子计算机。比如在固态量子信息领域，人造原子[8]中电子自旋[9]中定义的量子位超导电路正在引起全世界的关注，集成技术的发展进展迅速。
同时，在光学领域，人们正在积极开展控制“飞行量子位”的研究，“飞行量子位”是由传播光的量子态定义的。光学飞行量子位被认为适合大规模量子计算，因为它们可以通过在环路中传播光，仅用少量量子处理电路来任意操纵大量量子位。迄今为止，飞行量子比特的研究主要在光学领域进行。另一方面，对于在固体中传播的电子，人们认为通过定义飞行量子位，可以用少量的运算电路任意操纵大量的量子位。
在固体中传播的电子充当此类飞行量子位的重要条件之一是可以对每个电子选择性地执行量子位操作。换句话说，有必要控制在空间上彼此分离传播的“单电子”的量子态。然而，对传播的单电子的量子态的电控制尚未实现。
在光学实验中，可以使用“分束器”对飞行的量子位执行量子操作，该分束器以量子力学方式分支光子（光粒子）的传播路径。类似地，对于单个传播电子，第一步是实现分束器。
近年来，人们开发了一种使用砷化镓 (GaAs) 半导体的技术，可以在表面声波（一种声波）流中传输单个电子，同时将它们与周围环境隔离。利用这项技术，电子可以在时间和空间上以规则的间隔传输。此次，研究组的目标是实现表面声波传输的单电子量子机械分束器。分束器采用的结构是利用量子力学隧道效应将两个平行的电子传导路径连接起来（图 1）。该结构采用半导体微加工技术形成，两条路径之间的隧道效应强度可以通过电气方式调节。
图1 表面声波电子传输概念图和样品电子显微照片
通过向图中左侧所示的梳状电极结构施加交流电压，在表面附近的晶体中产生作为畸变波的表面声波。电子被晶体扭曲产生的移动电场捕获并一一传播。在右侧的照片中，白色轮廓所勾勒的区域代表电极。该样品经过调整，使得电子无法进入电极结构附近，并且电极之间形成两条路径，一条在另一条上方，电子通过这两条路径传播。如双头箭头所示，由于隧道效应，电子可以穿过薄的中心电极部分移动到相反的路径。这种隧道效应的强度可以通过向电极施加电压来控制。蓝色圆圈示意性地显示了单个电子的传播。 1μm 是一米的百万分之一。
通过调整这种隧道效应的强度，我们成功地捕捉到了表面声波传输的单个电子如何根据量子力学原理在路径之间来回移动。当施加到组成路径的电极的电压改变时，电子的这种量子力学行为被测量为电流的振荡。通过将测量到的电流振荡与基于量子力学电子运动模型的计算结果进行比较，我们确认实现了量子电子分束器（图2）。同时，这一结果意味着可以对飞行量子位进行电控制，飞行量子位由两个路径中的哪一个传输单个电子来定义。
在实验中还观察到，隧道效应导致的电子运动受到每个电子路径内部轨道条件的强烈影响。此外，电流的温度依赖性证实，传输的电子几乎不受退相干的影响，退相干会导致量子力学信息因环境噪声而丢失。
图2 隧道电流电流值测量
图1中左边是电极电压VU、VLI2的图表它是图表的纵轴 (VU + VL)/2 电压变化方向VU、VL改变传导路径连接处的电子隧道效应的强度。右图示意性地显示了各电极电压条件下的电子传导轨道。随着隧道效应变强，电子的传导轨道根据量子力学原理发生变化，因此电流会振荡而不是单调减少。这种行为是量子力学分束器的特征。图表横轴VU - VL方向是由电子轨道状态的差异引起的。
在这项研究中，我们实现了表面声波传输的单电子的量子分束器操作。这对应于在轨道飞行量子位上实现重要的量子操作，可用于构建量子计算机。
使用电子系统中定义的飞行量子位构建量子计算机的研究迄今为止进展甚微。这项研究的结果被认为是朝着利用电子飞行量子位实现量子计算机迈出的重要一步。在电子系统中，单电子源和单电子探测技术已基本建立，其优点是能够利用传播电子之间的相互作用进行计算。未来的挑战将是实现能够承受量子计算机构建的高精度量子运算。
<标题>
表面声波驱动的飞行电子的相干光束分裂
<作者姓名>
R。伊藤、S Takada、A Ludwig、A D Wieck、S Tarucha、M Yamamoto
＜杂志＞
物理评论信