氦上電子平臺打破10mK極限，在1K下控制單個電子

構(gòu)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(shù)領(lǐng)先的量子比特平臺所需的極端低溫環(huán)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(fā)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(tǒng)認知，為實現(xiàn)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(zhì)液體中感應出的正鏡像電荷所吸引（鏡像勢）。這為電子創(chuàng)造了一個極其純凈的環(huán)境，使其基本上與困擾固態(tài)系統(tǒng)的缺陷、雜質(zhì)和晶格振動隔絕。

這種純凈的隔離是該平臺最關(guān)鍵的理論優(yōu)勢：電子自旋態(tài)（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(huán)境的耦合極小，預示著實現(xiàn)高保真度量子操作的潛力。然而，要實現(xiàn)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(zhàn)。

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(guī)模集成的實用性。這項突破性成就的關(guān)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(shù)量級以上的顯著提升。

實現(xiàn)這一進步的關(guān)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(chǎn)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(fā)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(tǒng)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(jié)合。

對可擴展量子計算的意義

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

• 簡化低溫基礎設施

最關(guān)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(wěn)定、功率更大的泵浦氦-4制冷機。這些系統(tǒng)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(guī)模處理器中尋址數(shù)千個量子比特所需的控制線和片上電子元件所產(chǎn)生的熱量至關(guān)重要。

• 增強系統(tǒng)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(tǒng)中，許多必需的組件（如放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器）必須放置在低溫恒溫器外的室溫環(huán)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(xiàn)更快、更節(jié)能、噪聲更小的控制。

• 驗證量子比特的魯棒性

這一結(jié)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(tài)仍然保持魯棒。由于自旋態(tài)是預期的量子比特，在這樣一個“溫暖”的環(huán)境中演示控制能力，為在更兼容大規(guī)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(shù)格局的根本性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)建未來大規(guī)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(tǒng)的可擴展性和穩(wěn)健工程相結(jié)合，奠定了堅實的基礎。