氦上電子平臺打破10mK極限，在1K下控制單個電子

構建容錯、可擴展的量子計算機面臨著一個巨大的工程障礙：大多數領先的量子比特平臺所需的極端低溫環境。超導量子比特和半導體量子點中的自旋量子比特通常要求在接近 10 mK（毫開爾文）的溫度下運行，這需要復雜且昂貴的稀釋制冷機。最近發表在PRX的一篇論文，在液氦表面上方成功演示了在1 K以上對單個捕獲電子的傳感和控制，打破了這一傳統認知，為實現更實用、更具可擴展性的量子處理器提供了一條有前景的新途徑。

氦上電子量子比特平臺

“氦上電子”平臺于幾十年前首次被提出，其概念非常精妙。單個電子懸浮在液氦表面上方約 10 nm 處。這是因為電子被氦原子排斥，但同時又被其在電介質液體中感應出的正鏡像電荷所吸引（鏡像勢）。這為電子創造了一個極其純凈的環境，使其基本上與困擾固態系統的缺陷、雜質和晶格振動隔絕。

這種純凈的隔離是該平臺最關鍵的理論優勢：電子自旋態（作為量子比特）具有極長的相干時間，預計可超過 100 秒。電子自旋與環境的耦合極小，預示著實現高保真度量子操作的潛力。然而，要實現這一潛力，就必須克服高精度捕獲、操控和讀取單個電子的挑戰。

突破毫開爾文限制

此前的實驗已成功證明了對氦上單個電子的控制和讀取，但它們都局限于 mK 級別的溫度，限制了其大規模集成的實用性。這項突破性成就的關鍵在于，它證明了在高于 1 K 的溫度下可以可靠地進行單個電子的傳感。這使得運行溫度范圍有了兩個數量級以上的顯著提升。

實現這一進步的關鍵在于使用了與微米級電子陷阱集成的超導共面波導（CPW）諧振器。

1. 捕獲機制：圖案化在液氦下方的柵電極產生了限制電勢，形成一個陷阱來捕獲單個電子。
2. 傳感與讀取：被捕獲的電子作為一個帶電粒子，與CPW諧振器的微波場耦合。當電子被裝載到陷阱中時，其運動會改變局部電場，進而導致諧振器的諧振頻率發生色散頻移。
3. 在較高溫度下運行：盡管在 1 K 時熱能遠超電子的運動頻率，但該系統仍保持了清晰、可重復的單個電子頻率偏移。這一成功歸功于強大的捕獲電勢和靈敏的色散讀取方案相結合。

對可擴展量子計算的意義

在 1 K 或更高的溫度下實現單個電子的運行和傳感，對量子技術的可擴展性具有深遠的意義：

• 簡化低溫基礎設施

最關鍵的影響是冷卻要求的放松。目前依賴 mK 運行的量子計算機需要龐大、復雜且高耗能的稀釋制冷機。然而，在 1 K 運行則可以使用更簡單、更穩定、功率更大的泵浦氦-4制冷機。這些系統能提供顯著更高的冷卻功率（高達 100 mW 或更高），這對于消散大規模處理器中尋址數千個量子比特所需的控制線和片上電子元件所產生的熱量至關重要。

• 增強系統集成度

較高的運行溫度有利于控制電子元件的集成。在 mK 系統中，許多必需的組件（如放大器和數模轉換器）必須放置在低溫恒溫器外的室溫環境中，并通過長而嘈雜的電纜連接。而在 1 K 下運行，則可以將這些控制組件，特別是低溫放大器，放置得離量子比特芯片更近，甚至可以放在低溫恒溫器的 1 K 級。這種近距離集成可以實現更快、更節能、噪聲更小的控制。

• 驗證量子比特的魯棒性

這一結果驗證了一個長期以來的理論預測：即使在熱能很高的情況下，氦上電子的自旋態仍然保持魯棒。由于自旋態是預期的量子比特，在這樣一個“溫暖”的環境中演示控制能力，為在更兼容大規模量子硬件的條件下研究和操縱自旋特性開辟了道路。

總而言之，在1 K以上對單個捕獲電子的傳感和控制的成功不僅是一次漸進式的改進，更是量子計算技術格局的根本性轉變。通過減輕令人生畏的低溫障礙，“氦上電子”平臺正從一個迷人的理論研究對象，轉變為構建未來大規模量子處理器的高度實用性候選方案。這項工作為將單個電子量子比特的純凈性和長相干性與 1 K 低溫系統的可擴展性和穩健工程相結合，奠定了堅實的基礎。