特別說明：本文由米測技術中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（米測 技術中心）
編輯丨風云
飛行的量子比特以傳播模式來編碼量子信息。雖然光子飛行量子比特是可用的，但是光子之間的弱相互作用限制了條件量子門的效率。相反，電子飛行量子比特可以利用庫侖相互作用，但傳統半導體中較弱的量子相干性阻礙了它們的實現。
有鑒于此，巴黎薩克雷大學P. Roulleau等人設計了單個電子飛行量子比特態(tài)的按需注入及其在布洛赫球上的操縱。飛行量子比特是在高遷移率石墨烯單層的量子霍爾邊緣通道中傳播的Leviton。盡管對于飛行量子位的可行操縱仍然需要單次量子位讀出和兩個量子位操作，但在單電子水平上對巡回電子態(tài)的相干操縱為傳統量子位提供了一種非常有前途的替代方案。
石墨烯中單電子的按需注入
對于石墨烯來說，雖然明確的量子點的開發(fā)是一個活躍的領域，但它們的制造仍然具有挑戰(zhàn)性，并且電子泵尚未得到證實。目前已證明，通過將脈沖整形為洛倫茲函數，可以發(fā)射單個電子，而不會產生不需要的電子空穴對。這種激發(fā)被稱為Leviton。這種方法還允許發(fā)射非常接近費米能量的電子，其中電子空穴對創(chuàng)建的空間最小，從而保護發(fā)射的電子免受可能的弛豫和退相干。作者演示了基于石墨烯中Leviton的按需單電子注入。
圖1 量子霍爾體系中的光輔助散粒噪聲
石墨烯量子位的相干操作和讀取
接著，作者證明了單電子在傳播過程中的相干操縱。最基本的量子操縱是布洛赫球上單個量子位的旋轉，這可以通過電子MZI來實現分束器與Aharonov-Bohm效應相結合，可以實現谷等位旋飛行量子位的基本操作。通過噪聲測量，表明Leviton的基本特性，即電子空穴對數量的最小化，在其通過干涉儀傳播的過程中得以保留。
圖2 Leviton和2e Leviton
電壓脈沖的產生
作者所展示了使用的樣本，全局石墨背柵和金屬頂柵沉積在樣品的右半部分，以便獨立調節(jié)樣品左半部分和右半部分的電子密度。通過調整位于PN結和石墨烯物理邊緣之間交叉點的上側柵極和下側柵極，可以混合具有相反谷極化的N區(qū)和P區(qū)的邊緣溝道。通過對一系列具有受控幅度和相位的諧波求和來構造周期性洛倫茲脈沖。在確定構建洛倫茲脈沖是可能的之后，利用洛倫茲擾動對費米海進行了能譜分析，以證明立維子產生的電子空穴對的最小化及2e-Leviton態(tài)的極角控制。
圖3 2e Leviton態(tài)的極角控制
布洛赫球上的相干操縱
作者展示了單電子在通過電子MZI傳播時的相干操縱。首先將此操作應用于正弦電壓脈沖，顯示了在多個頻率值下作為磁場函數的散粒噪聲，這些頻率值用于構造Leviton。FAB散粒噪聲的振蕩表明MZI的量子相干性在高頻激勵下仍然存在。最后，作者演示了布洛赫球赤道上電子量子態(tài)的旋轉，證明了Leviton的連貫控制。
圖4 MZI中的按需激勵
圖5 2e Leviton的相干操縱
參考文獻：
A. ASSOULINE, et al. Emission and coherent control of Levitons in graphene. Science, 2023, 382(6676): 1260-1264
DOI: 10.1126/science.adf9887
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf9887
