Jump to content

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]  

Схематическая иллюстрация кубитов электронов на гелии. Ридберговская (слева), спиновая (в центре) и орбитальная (справа) степени свободы были предложены в качестве базовых состояний для квантовых вычислений.

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]  

а) Устройство с разделенным затвором для электронов на гелии, используемое для измерения транспорта одиночных электронов. Поверхностные электроны перемещаются из левого микроканального резервуара в правый микроканальный резервуар через сужение, образованное электродом с разделенным затвором. (б) При низких температурах классические эффекты электронного упорядочения приводят к появлению плато тока, соответствующих 1, 2... электронам, проходящим бок о бок через сужение.

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]

  1. ^ Андрей, Ева Юрьевна (1997). Двумерные электронные системы: на гелии и других криогенных подложках . Дордрехт: Springer Нидерланды. ISBN  978-94-015-1286-2 . OCLC   840311770 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ Шикин, В. (1970). «Движение ионов гелия вблизи границы раздела пар-жидкость». Сов. Физ. ЖЭТФ . 31 :936.
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 .
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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 .
  24. ^ 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 .
  25. ^ 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 .
  26. ^ 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 .
  27. ^ 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 .
  28. ^ «В17.00009. Резонансные явления в вигнеровском теле, ограниченном микроканалами» . Виртуальная мартовская встреча APS . 07.03.2020 . Проверено 10 марта 2021 г.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: d02d6207a4c6877ad1964354c1211ebd__1712776080
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/d0/bd/d02d6207a4c6877ad1964354c1211ebd.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Electron-on-helium qubit - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)