Электрон-на-гелий кубит
Кубит электрона на гелии — это квантовый бит , для которого ортонормированные базисные состояния |0⟩ и |1⟩ определяются квантованными двигательными состояниями или, альтернативно, спиновыми состояниями электрона, захваченного над поверхностью жидкого гелия . [1] [2] Кубит «электрон на гелии» был предложен в качестве основного элемента для создания квантовых компьютеров с электронами на гелии. Платцманом и Дайкманом в 1999 году [3]
История электронов на гелии
[ редактировать ]Электрострикционное связывание электронов с поверхностью жидкого гелия было впервые экспериментально продемонстрировано Бруски и его сотрудниками в 1966 году. [4] Теоретическая трактовка взаимодействия электрона с гелием была развита Коулом и Коэном в 1969 году. [5] и независимо Шикиным в 1970 году. [6] Электрон вблизи поверхности жидкого гелия испытывает силу притяжения вследствие образования слабого (~0,01 е ) заряда изображения в диэлектрической жидкости. Однако проникновению электрона в жидкость препятствует высокий (~ 1 эВ) барьер, образующийся на поверхности из-за жесткого отталкивания электрона атомами гелия. В результате электрон остается запертым вне жидкости. Энергия электрона в этой потенциальной яме квантуется в водородоподобном ряду с модифицированной константой Ридберга R He. 10 −4 Р Х. Энергии связи основного ( n = 1) и первого возбужденного ( n = 2) состояний составляют -7,6 К и -1,9 К соответственно, и, поскольку энергия, необходимая для возбуждения, выше типичной экспериментальной температуры ( 1 К), электрон остается в основном состоянии, захваченный на несколько нанометров над поверхностью жидкости. Первые спектроскопические доказательства этих поверхностных состояний были представлены Граймсом и его сотрудниками в 1976 году. [7]
Движение электронов параллельно поверхности гелия является свободным, а поскольку поверхность свободна от примесей, электрон может перемещаться по гелию с рекордно высокой подвижностью . [8] Поверхность жидкости может поддерживать плотность электронов до электрогидродинамического предела 2,4×10. 9 см −2 , что намного ниже, чем обычно достигается в полупроводниковых двумерных электронных газах . При таких малых плотностях электронная система описывается невырожденной статистикой, а поскольку кулоновское взаимодействие между электронами лишь слабо экранируется гелием, пространственное положение электрона в 2D-слое сильно коррелирует с положением его соседей. При низких температурах (обычно ниже 1 К) энергия кулоновского взаимодействия превосходит тепловую энергию электронов, и электроны образуют двумерную треугольную решетку, классическое тело Вигнера . [9] Поверхностная плотность может быть увеличена в сторону вырожденного режима Ферми на тонких пленках гелия, покрывающих твердые подложки, или на других криогенных подложках, которые обладают отрицательным сродством к электрону, таких как твердый водород или неон, хотя измерениям на этих подложках обычно препятствует шероховатость поверхности. [10]
С 1970-х годов электроны на гелии используются для изучения свойств двумерных электронных жидкостей и твердых тел, а также жидкого гелия ( 4 Он или 3 Он) субстрат. Известные области исследований включают коллективные электронные возбуждения. [11] и краевые магнитоплазмонные эффекты, [12] явления переноса многих тел и плавление Костерлица-Таулесса в 2D, [13] поляронные эффекты на границе раздела гелия, [14] наблюдение состояний с нулевым сопротивлением, индуцированных микроволновым излучением [15] и несжимаемые состояния [16] в невырожденном электронном газе и картографирование текстуры сверхтекучего газа 3 Он осуществляется за счет взаимодействий между электроном твердого тела и квазичастичными возбуждениями в сверхтекучей жидкости. [17] В последние годы гелиевые каналы микронного размера с подповерхностными затворными электродами использовались для создания устройств, в которых можно манипулировать отдельными электронами в поверхностном состоянии. [18] [19] облегчение интеграции электронов на гелии с архитектурой полупроводниковых устройств и сверхпроводящими схемами.
Предлагаемые схемы квантовых вычислений - Ридберг, спиновые и орбитальные состояния
[ редактировать ]В предложении Платцмана и Дайкмана основной и первый возбужденные ридберговские энергетические уровни электронов, захваченных над электродами, погруженными под поверхность гелия, были предложены в качестве базисных состояний кубита. Собственная низкая температура системы позволила напрямую приготовить кубит в основном состоянии. Операции с кубитами осуществлялись путем возбуждения ридберговского перехода резонансными микроволновыми полями на частотах ~120 ГГц. Взаимодействию кубитов способствовало дальнодействующее кулоновское взаимодействие между электронами. Считывание кубита достигалось за счет селективной ионизации возбужденных электронов с поверхности гелия. В 2000 году Ли и соавторы предположили, что считывание кубита может быть достигнуто с помощью устройства с одним электронным транзистором (SET), расположенного под гелием. [20]
В 2006 году Лайон предположил, что спиновое состояние электрона в гелии также можно использовать в качестве кубита. [21] взаимодействием была предложена CCD -подобная архитектура , Для управления многокубитной системой с диполь-дипольным позволяющая выполнять операции двухкубитного вентиля для соседних спинов. Глобальное магнитное поле, параллельное поверхности гелия, обеспечивало ось для возбуждения спинов, а локальные магнитные поля, создаваемые погруженными в воду проводниками, использовались для приведения спинов в резонанс с микроволновыми полями для возбуждения кубитов. Обменное взаимодействие соседних кубитов было предложено в виде схемы считывания, продемонстрированной в полупроводниковых с двойными квантовыми точками устройствах .
В 2010 году Шустер и его коллеги предположили, что для электрона в потенциале бокового захвата орбитальные состояния для движения параллельно поверхности гелия могут использоваться в качестве базисных состояний кубита. [22] Электронная ловушка была интегрирована в сверхпроводящее устройство с копланарным резонатором . Было показано, что, как и во многих сверхпроводящих кубитных системах, резонансный обмен микроволновыми фотонами между захваченным электроном и полостью может быть описан гамильтонианом Джейнса-Каммингса . Удаленные кубиты могут быть связаны через резонаторную шину. Было также показано, что локальные градиенты магнитного поля могут обеспечивать связь между состоянием спина электрона и боковым движением, облегчая считывание состояния спина с помощью микроволновой спектроскопии полости.
Декогеренция
[ редактировать ]В любом квантовом компьютере декогерентность волновой функции кубита из-за эффектов релаксации энергии или дефазировки должна быть ограничена достаточно низкой скоростью. Для кубитов «электрон-на-гелии» деформации поверхности гелия из-за поверхностных или объемных возбуждений (риплонов или фононов) изменяют потенциал заряда изображения и искажают волновую функцию электрона. Поэтому для ридберговских и орбитальных состояний ожидается, что основным источником декогеренции будет излучение рипплонов или фононов в гелиевой подложке. Однако ожидается, что скорость затухания из-за этих процессов будет медленной (~ 100 мкс) по сравнению со скоростью, с которой могут выполняться операции с кубитами (~ 10 нс). Для спинового состояния присущая чистота кубитовой среды и слабое спин-орбитальное взаимодействие электрона, движущегося над поверхностью гелия, приводят к предсказанным временам когерентности. 1 с.
Текущие события
[ редактировать ]Первый захват и обнаружение одиночных электронов на гелии был продемонстрирован Ли и его коллегами в 2005 году с использованием ловушки микронного размера, заполненной гелием, и одноэлектронного транзистора под поверхностью для подсчета электронов. [23] Этот эксперимент также продемонстрировал первую связь между электроном на гелии и сверхпроводящей квантовой цепью. Впоследствии другие эксперименты продемонстрировали прогресс в направлении когерентного управления одиночными электронами гелия. К ним относятся сверхэффективная электронная синхронизация в микроканальных ПЗС-устройствах, [24] контролируемые измерения транспорта одиночных электронов, [25] а также захват и манипулирование одномерными электронными массивами, [26] В 2019 году Кулстра и его коллеги из Чикагского университета продемонстрировали связь одного электрона гелия со сверхпроводящим микроволновым резонатором с силой связи g / 2π ~ 5 МГц, намного большей, чем ширина линии резонатора ~ 0,5 МГц. [27] В 2020 году исследователи из Мичиганского государственного университета и EeroQ представили новые результаты и прогресс в производстве конструкции электрон-гелиевого чипа с использованием состояния бокового движения электрона на частотах в диапазоне 5–10 ГГц с использованием одноэлектронного транзистора. считывающее устройство. [28]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Андрей, Ева Юрьевна (1997). Двумерные электронные системы: на гелии и других криогенных подложках . Дордрехт: Springer Нидерланды. ISBN 978-94-015-1286-2 . OCLC 840311770 .
- ^ Монарха, И︠У︡. П. (2004). Двумерные кулоновские жидкости и твердые тела . Кимитоши Коно. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-662-10639-6 . OCLC 851377154 .
- ^ Платцман, премьер-министр (18 июня 1999 г.). «Квантовые вычисления с электронами, плавающими на жидком гелии» . Наука . 284 (5422): 1967–1969. дои : 10.1126/science.284.5422.1967 . ПМИД 10373109 .
- ^ Бруски, Л.; Маравилья, Б.; Мосс, FE (26 сентября 1966 г.). «Измерение барьера извлечения лишних электронов из жидкого гелия» . Письма о физических отзывах . 17 (13): 682–684. Бибкод : 1966PhRvL..17..682B . дои : 10.1103/PhysRevLett.17.682 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Коул, Милтон В.; Коэн, Моррел Х. (24 ноября 1969 г.). «Поверхностные полосы, индуцированные потенциалом изображения, в изоляторах» . Письма о физических отзывах . 23 (21): 1238–1241. Бибкод : 1969PhRvL..23.1238C . дои : 10.1103/PhysRevLett.23.1238 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Шикин, В. (1970). «Движение ионов гелия вблизи границы раздела пар-жидкость». Сов. Физ. ЖЭТФ . 31 :936.
- ^ Граймс, CC; Браун, ТР; Бернс, Майкл Л.; Зипфель, КЛ (1 января 1976 г.). «Спектроскопия электронов в поверхностных состояниях, индуцированных потенциалом изображения, вне жидкого гелия» . Физический обзор B . 13 (1): 140–147. Бибкод : 1976PhRvB..13..140G . дои : 10.1103/PhysRevB.13.140 . ISSN 0556-2805 .
- ^ Ие, Ясухиро (сентябрь 1980 г.). «Подвижность электронов в поверхностном состоянии жидкого гелия» . Журнал физики низких температур . 40 (5–6): 441–451. Бибкод : 1980JLTP...40..441I . дои : 10.1007/BF00119515 . ISSN 0022-2291 . S2CID 122316199 .
- ^ Граймс, CC; Адамс, Г. (19 марта 1979 г.). «Доказательства фазового перехода жидкость-кристалл в классическом двумерном слое электронов» . Письма о физических отзывах . 42 (12): 795–798. Бибкод : 1979PhRvL..42..795G . doi : 10.1103/PhysRevLett.42.795 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Гюнцлер, Т.; Битнар, Б.; Мистура, Г.; Несер, С.; Лейдерер, П. (июль 1996 г.). «Доказательства квантового плавления в двумерной электронной системе на тонкой пленке гелия» . Поверхностная наука . 361–362: 831–834. Бибкод : 1996SurSc.361..831G . дои : 10.1016/0039-6028(96)00544-4 .
- ^ Граймс, CC; Адамс, Грегори (19 января 1976 г.). «Наблюдение двумерных плазмонов и электрон-риплонного рассеяния в слое электронов на жидком гелии» . Письма о физических отзывах . 36 (3): 145–148. Бибкод : 1976PhRvL..36..145G . дои : 10.1103/PhysRevLett.36.145 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Маст, ДБ; Дам, Эй Джей; Феттер, Алабама (15 апреля 1985 г.). «Наблюдение объемных и краевых магнитоплазмонов в двумерной электронной жидкости» . Письма о физических отзывах . 54 (15): 1706–1709. Бибкод : 1985PhRvL..54.1706M . doi : 10.1103/PhysRevLett.54.1706 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10031113 .
- ^ Дыкман, Мичиган; Фан-Йен, К.; Леа, MJ (15 июня 1997 г.). «Многоэлектронный транспорт в сильно коррелированных невырожденных двумерных электронных системах» . Физический обзор B . 55 (24): 16249–16271. Бибкод : 1997PhRvB..5516249D . дои : 10.1103/PhysRevB.55.16249 . ISSN 0163-1829 .
- ^ Сирахама, Кейя; Коно, Кимитоши (30 января 1995 г.). «Динамический переход в вигнеровском теле на поверхности жидкого гелия» . Письма о физических отзывах . 74 (5): 781–784. Бибкод : 1995PhRvL..74..781S . дои : 10.1103/PhysRevLett.74.781 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10058846 .
- ^ Константинов, Денис; Коно, Кимитоши (22 ноября 2010 г.). «Фотонно-индуцированное исчезновение магнитопроводимости в 2D-электронах на жидком гелии» . Письма о физических отзывах . 105 (22): 226801. arXiv : 1006.0349 . Бибкод : 2010PhRvL.105v6801K . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.226801 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 21231410 . S2CID 5034302 .
- ^ Чепелянский Алексей Дмитриевич; Ватанабэ, Масамицу; Наседкин Константин; Коно, Кимитоши; Константинов, Денис (ноябрь 2015 г.). «Несжимаемое состояние фотовозбужденного электронного газа» . Природные коммуникации . 6 (1): 7210. arXiv : 1504.04295 . Бибкод : 2015NatCo...6.7210C . дои : 10.1038/ncomms8210 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 4455090 . ПМИД 26007282 .
- ^ Икегами, Хироки; Коно, Кимитоши (20 октября 2006 г.). «Текстура сверхтекучего He 3, исследованная вигнеровским телом» . Письма о физических отзывах . 97 (16): 165303. Бибкод : 2006PhRvL..97p5303I . doi : 10.1103/PhysRevLett.97.165303 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 17155408 .
- ^ Глассон, П.; Доценко В.; Фозуни, П.; Леа, MJ; Бейли, В.; Папагеоргиу, Г.; Андресен, SE; Кристенсен, А. (5 октября 2001 г.). «Наблюдение динамического упорядочения в ограниченном вигнеровском кристалле» . Письма о физических отзывах . 87 (17): 176802. Бибкод : 2001PhRvL..87q6802G . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.176802 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 11690292 .
- ^ Рис, генеральный директор; Курода, И.; Маррач-Кикучи, Калифорния; Хефер, М.; Лейдерер, П.; Коно, К. (14 января 2011 г.). «Точечно-контактные транспортные свойства сильно коррелированных электронов на жидком гелии» . Письма о физических отзывах . 106 (2): 026803. Бибкод : 2011PhRvL.106b6803R . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.026803 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 21405245 .
- ^ Леа, MJ; Фрейн, П.Г.; Мухарский, Ю (2000). «Можем ли мы провести квантовые вычисления с электронами на гелии?» . Fortschritte der Physik . 48 (9–11): 1109–1124. Бибкод : 2000ForPh..48.1109L . doi : 10.1002/1521-3978(200009)48:9/11<1109::AID-PROP1109>3.0.CO;2-I . ISSN 1521-3978 .
- ^ Лион, ЮАР (30 ноября 2006 г.). «Спиновые квантовые вычисления с использованием электронов на жидком гелии» . Физический обзор А. 74 (5): 052338. arXiv : cond-mat/0301581 . Бибкод : 2006PhRvA..74e2338L . дои : 10.1103/PhysRevA.74.052338 . ISSN 1050-2947 . S2CID 119506755 .
- ^ Шустер, Д.И.; Фрагнер, А.; Дыкман, Мичиган; Лион, ЮАР; Шёлкопф, Р.Дж. (23 июля 2010 г.). «Предложение по манипулированию и обнаружению спиновых и орбитальных состояний захваченных электронов на гелии с использованием квантовой электродинамики резонатора» . Письма о физических отзывах . 105 (4): 040503. arXiv : 0912.1406 . Бибкод : 2010PhRvL.105d0503S . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.040503 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 20867827 . S2CID 6533048 .
- ^ Папагеоргиу, Г.; Глассон, П.; Харраби, К.; Антонов В.; Коллин, Э.; Фозони, П.; Фрейн, П.Г.; Леа, MJ; Мухарский Ю.; Рис, генеральный директор (05 апреля 2005 г.). «Подсчет отдельных захваченных электронов на жидком гелии» . Письма по прикладной физике . 86 (15):153106.arXiv : cond -mat/0405084 . Бибкод : 2005ApPhL..86o3106P . дои : 10.1063/1.1900301 . ISSN 0003-6951 . S2CID 118375967 .
- ^ Брэдбери, Франция; Такита, Майка; Гурриери, ТМ; Вилкель, К.Дж.; Энг, Кевин; Кэрролл, MS; Лион, ЮАР (19 декабря 2011 г.). «Эффективный синхронизированный перенос электронов на сверхтекучем гелии» . Письма о физических отзывах . 107 (26): 266803. arXiv : 1107.4040 . Бибкод : 2011PhRvL.107z6803B . doi : 10.1103/PhysRevLett.107.266803 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 22243176 . S2CID 40591865 .
- ^ Рис, генеральный директор; Тоцудзи, Х.; Коно, К. (25 апреля 2012 г.). «Соизмеримость-зависимый транспорт вигнеровского кристалла в наноконстрикции» . Письма о физических отзывах . 108 (17): 176801. Бибкод : 2012PhRvL.108q6801R . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.176801 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 22680890 .
- ^ Икегами, Хироки; Акимото, Хикота; Рис, Дэвид Г.; Коно, Кимитоши (5 декабря 2012 г.). «Доказательства возвратного плавления в квазиодномерном вигнеровском кристалле» . Письма о физических отзывах . 109 (23): 236802. Бибкод : 2012PhRvL.109w6802I . doi : 10.1103/PhysRevLett.109.236802 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 23368238 .
- ^ Кулстра, Гервин; Ян, Ге; Шустер, Дэвид И. (декабрь 2019 г.). «Связь одного электрона сверхтекучего гелия со сверхпроводящим резонатором» . Природные коммуникации . 10 (1): 5323. arXiv : 1902.04190 . Бибкод : 2019NatCo..10.5323K . дои : 10.1038/s41467-019-13335-7 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 6874564 . ПМИД 31757947 .
- ^ «В17.00009. Резонансные явления в вигнеровском теле, ограниченном микроканалами» . Виртуальная мартовская встреча APS . 07.03.2020 . Проверено 10 марта 2021 г.