La computación cuántica con electrones que flotan sobre helio superfluido promete largos tiempos de coherencia de espín y un sustrato limpio, sin trampas de carga. Sin embargo, hasta ahora no se había logrado acoplar fuertemente un electrón individual en este sistema a un campo de microondas, algo necesario para la lectura y el control de los estados de espín. Este trabajo se suma a los esfuerzos recientes por integrar electrones sobre helio con circuitos superconductores: previamente se demostraron el control de electrones individuales y su acoplamiento a resonadores, pero el régimen de acoplamiento fuerte seguía siendo inalcanzable. Este trabajo cierra esa brecha mediante un punto cuántico compacto y un resonador de alta impedancia.
El electrón se mantiene en un punto cuántico de 1.4×1.4 μm², formado por potenciales electrostáticos sobre helio superfluido en un canal microfluídico. El resonador de nitruro de titanio, con alta impedancia cinética (Z = 3.8 kΩ), amplifica el acoplamiento con el movimiento del electrón en un factor de 20 en comparación con diseños anteriores. El acoplamiento se midió mediante espectroscopía de transmisión del resonador: cuando la frecuencia del movimiento del electrón coincidía con la frecuencia del resonador, se observó desdoblamiento de Rabi en el vacío. Además, se utilizó espectroscopía de dos tonos para sondear directamente los niveles de energía del electrón y medir el tiempo de relajación T1.
Se observó desdoblamiento de Rabi en el vacío con una fuerza de acoplamiento g/2π = 118 ± 3 MHz, que supera el ancho de línea del resonador κ/2π = 23 MHz y la tasa de decoherencia del electrón Γ2/2π = 61 MHz (en condiciones óptimas). La cooperatividad de un solo fotón fue C ≈ 32. El control del voltaje en los electrodos permitió ajustar la frecuencia del movimiento del electrón entre 5.5 y 10 GHz y reducir la decoherencia aplicando un sesgo negativo. El tiempo de relajación energética T1 alcanzó 0.76 μs y estuvo limitado por la emisión de Purcell hacia el resonador en pequeños desajustes. La decoherencia Γ2 aumentaba con la temperatura según una ley de potencias $T^0$.5, lo que sugiere un acoplamiento con excitaciones de baja frecuencia en la superficie del helio o con cargas fluctuantes.
Este trabajo lleva por primera vez a los electrones sobre helio al régimen de acoplamiento fuerte con un fotón de microondas, colocando a esta plataforma a la par de los puntos cuánticos semiconductores, donde ese régimen ya permitió la lectura de espines. La diferencia con otros trabajos en el archivo es el uso de un resonador de alta impedancia y un punto compacto, lo que dio una fuerza de acoplamiento récord para este sistema. Esto abre el camino hacia la hibridación de estados de carga y espín mediante un gradiente de campo magnético y, por tanto, hacia la lectura de qubits de espín en microsegundos.
El siguiente paso será introducir un gradiente de campo magnético para acoplar el estado de espín del electrón a su movimiento y, a través de él, al resonador. Esto permitirá la lectura del espín y, posiblemente, operaciones de dos qubits. También queda por dilucidar la naturaleza de la decoherencia residual y encontrar formas de suprimirla, por ejemplo, mejorando el blindaje contra las fluctuaciones de carga. A largo plazo, la arquitectura podría escalarse a matrices de qubits sobre una película de helio común.
El resultado influirá en el desarrollo de computadoras cuánticas basadas en electrones sobre helio superfluido, así como en la investigación fundamental de la electrodinámica cuántica de circuitos con partículas individuales.
Integrar un gradiente magnético en el dispositivo y demostrar el acoplamiento del espín al resonador; estudiar las fuentes de decoherencia a bajas temperaturas.
Para la plataforma de electrones sobre helio, el problema clave no resuelto sigue siendo la lectura del estado de espín en un tiempo menor que el tiempo de decoherencia. Este trabajo resuelve la primera mitad de la tarea: el acoplamiento fuerte del movimiento de carga al fotón, pero no resuelve el problema del control del espín y su protección frente al ruido.
Esta sección está dirigida al autor del trabajo y a sus colegas. Los trabajos vecinos los encontró la búsqueda por significado en nuestro archivo, no por coincidencia de palabras. No evaluamos: mostramos el campo alrededor.
Qué hace el trabajo
En este trabajo se logra por primera vez un acoplamiento fuerte entre el movimiento de un electrón individual sobre helio superfluido y un fotón de microondas en un resonador superconductor. Se emplea un punto cuántico compacto y un resonador de alta impedancia de nitruro de titanio, lo que permite alcanzar una fuerza de acoplamiento de g/2π = 118 MHz, que supera la decoherencia y el ancho de línea del resonador. Se demuestran el desdoblamiento de Rabi en el vacío, la sintonización de la frecuencia del electrón mediante voltaje y la medición del tiempo de relajación T1, limitado por la emisión de Purcell.
Dónde está su fuerza
El acoplamiento fuerte en el sistema electrón-sobre-helio abre un camino directo hacia la lectura de los estados de espín mediante el campo de microondas. La alta impedancia del resonador y la geometría compacta del punto proporcionan una cooperatividad récord para esta plataforma, lo que hace posible la hibridación de los grados de libertad de carga y de espín.
Hacia dónde puede avanzar
Vale la pena probar
Trabajos cercanos en nuestro archivo
El archivo está vacío alrededor de este trabajo: el análisis más cercano queda en 0.56, frente a un 0.64 habitual. Parece que aquí al lado casi nadie ha perforado.
El electrón se mantiene sobre el helio gracias a su carga imagen: se repele de la superficie, pero no puede penetrar en el líquido debido a una barrera de aproximadamente 1 eV. La profundidad del pozo de potencial para el electrón en el punto es de aproximadamente 1000 GHz, cientos de veces mayor que la energía de su movimiento.