- 利用独特结构的梳状电极产生的表面声波实现高效的单电子传输
- 通过叠加宽频带生成隔离脉冲并抑制对周围电子的不必要干扰
- 单电子有望在量子计算机中用作传输量子信息的手段
单个电子通过独特的梳状电极（线性调频IDT）产生的表面声波的隔离脉冲通过波导传输
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部 Shintaro Takada（研究员）、Shinhisa Kaneko（首席研究员）、东京工业大学（以下简称“Tokyo Tech”）工学院电气电子工程系副教授 Tetsuo Kodera、Shunsuke Ota（博士生二年级）、QuantECA 团队、法国国家科学研究中心尼尔研究所 Christopher Boyerle 教授、波鸿大学应用固体物理系 Andreas Wieck 教授表面声波的隔离脉冲电子的高效传输
通用量子计算机，离开量子位建立一种在它们之间传输信息的方法至关重要。使用表面声波的单电子传输技术是电子所独有的量子信息。另一方面，在之前的研究中，电子传输是利用一定时间宽度的声表面波爆发进行的（参见正文图1的解释），存在不参与电子传输的额外波带来的问题。本研究开发的利用声表面波隔离脉冲的单电子传输技术可以消除多余的声表面波对周围电子的负面影响。因此，它将有助于实现量子比特的集成，作为传输量子信息的高效手段，抑制对周围量子比特的干扰。
这项技术的详细信息将于2022年9月7日（美国东部标准时间）发表在科学期刊《物理审查X
实现一台能够执行实际计算任务的通用量子计算机需要集成超过一百万个量子位。虽然已经提出了各种方法，但利用固体中的电子的方法被认为由于其与传统半导体技术的高度亲和性而在集成方面具有优势，并且正在进行研究以实现量子比特的集成。在实现量子位集成电路时，面临的挑战是有效地安排大量控制线路来操纵大量量子位。作为一种解决方案，已经提出了一种方法，其中量子位被分组为允许布置控制线路的数量，定义为单个聚合，并且量子信息在多个量子位聚合之间交换。为了实现这一目标，有必要建立一种方法来可靠地在遥远的量子位之间传输电子所持有的量子信息。
传输量子信息的主要候选方法之一是使用表面声波的单电子传输技术。在这项技术中，电子旋转已经证明状态可以携带量子信息。然而，以往研究中使用的表面声波爆发包含许多不参与电子传输的波，并且存在对电子增加额外干扰等问题。为了推进量子位的集成并实现对许多量子位的可靠控制，需要开发不会造成不必要干扰的传输技术。
AIST 旨在建立基于单电子先进控制技术的新国家电流标准，并针对基本物理定律的一致性进行高精度确认实验。通过这些过程，我们开发了在极低温度下使用高频波的单电子器件的精密控制技术。2018 年 2 月 2 日 AIST 新闻稿）。此次，我们与东京工业大学等共同开发了产生声表面波的隔离脉冲的技术，并与产业技术研究院的精密控制技术相结合，实现了与量子位集成高度兼容的单电子传输技术。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金 B“开发使用单次飞行电子的量子电子光学实验的基础技术（2020-2023 财年，研究代表：高田慎太郎，项目编号：JP20H02559）”的支持。
表面声波是一种在材料表面传播的波。压电效应的材料中，它与电场一起传输。通过使用与这些表面声波相关的电场波，可以将单个电子与周围的电子隔离开来，并通过静电势形成的波导将其传输，类似于在电场波上冲浪。在传统研究中，如图1（a）所示，在由压电GaAs基材料制成的基板上制作具有恒定周期的梳状电极（叉指换能器：IDT），并通过施加与由梳状周期和表面声波速度确定的谐振频率相对应的高频电压来产生表面声波。例如，当传输单个电子时，在短时间内（大约40 ns至100 ns）向IDT施加谐振频率的高频电压，以产生具有足够强度的表面声波来传输电子。此时的声表面波是各个梳产生的声表面波的叠加，因此整体上成为波数较多、上升和下降时间有限的声表面波突发。大多数表面声波爆发，包括它们的上升和下降时间，都是不参与电子传输的波，并且众所周知，它们可以作为电子传输前后的额外干扰而破坏周围电子的状态。此外，为了精确控制电子状态，需要在特定的时刻转移电子。此外，在表面声波爆发中，尚不清楚电子在多个表面声波中的何处被传输。为了将电子传输到固定位置，每个量子位都需要使用 GHz 频段的高频电压进行复杂的控制。因此，在这项研究中，我们开发了一种独特的“线性调频IDT”，它可以产生电子传输所需的足够强度的表面声波隔离脉冲。线性调频脉冲是指频率随时间变化的情况。如图1(b)所示，在线性调频IDT中，梳状周期从左到右变化。通过向该线性调频IDT施加适当随时间变化的高频电压，从左侧的长周期侧到右侧的短周期侧依次激发表面声波。这允许叠加宽范围的表面声波。
图1声表面波产生原理图
(a) 使用传统叉指电极（IDT）产生表面声波爆发
(b) 使用啁啾 IDT 生成高强度表面声波的隔离脉冲
在这项研究中，我们创建了一种线性调频 IDT，它可以在 05 GHz 至 3 GHz 频段内生成表面声波（图 2(a)）。在实验中，我们通过将05GHz到3GHz的声表面波同相叠加，成功地消除了不必要的波，并产生了图2（b）中红实线所示的高强度声表面波的孤立脉冲。当我们使用生成的隔离脉冲进行单电子转移实验时，我们以超过 99% 的高概率成功转移电子。这个超过 99% 的概率与图 1(a) 所示的传统方法一样高。我们还能够证明，使用这种隔离脉冲，可以控制电子传输的时间，而不需要对每个量子位进行高频控制。
使用表面声波的单电子传输技术被认为是在远距离电子自旋量子位之间传输量子信息的一种有前途的候选方法。本研究开发的单电子转移技术可以避免过多的表面声波对电子的干扰，并且无需对每个量子位使用高频电压控制即可控制电子转移的时序。由于这些特性，它有望成为构建未来集成量子系统的重要基础技术以及任意波形的量子电流标准。
图2 (a) 所制备的线性调频IDT 的电子显微照片。 (b) 使用线性调频 IDT 生成的表面声波的隔离脉冲形状的仿真（红色实线，右侧垂直轴）。考虑到探测器特性的波形（灰色实线，左侧纵轴）紧密再现了实验中获得的测量波形（黑色实线，左侧垂直轴）。
在这项研究中，我们使用压电 GaAs 基材料产生表面声波，并开发了一种新的单电子传输技术。未来，我们的目标是通过压电薄膜技术，将本研究开发的单电子传输技术应用于硅基材料，硅基材料是当前电子自旋量子位研究的支柱。此外，通过扩展线性调频IDT的频带，我们的目标是开发一种产生具有更好可控性的隔离表面声波脉冲的技术。
已出版的杂志：物理审核 X
论文标题：单周期声脉冲的生成——单电子电路传输的可扩展解决方案
作者：王俊良、太田俊辅、赫尔曼·埃德鲍尔、巴蒂斯特·贾多、皮埃尔-安德烈·莫特穆斯克、艾默里克·理查德、冈崎勇马、中村修二、阿恩·路德维希、安德烈亚斯·D·维克、马蒂亚斯·乌尔丹皮莱塔、特里斯坦·莫尼耶、小寺哲夫、金子信久、慎太郎高田和克里斯托弗·鲍尔勒