Квантовые вычисления на электронах, плавающих над сверхтекучим гелием, обещают долгие времена когерентности спинов и чистую подложку без зарядовых ловушек. Однако одиночный электрон в этой системе до сих пор не удавалось сильно связать с микроволновым полем, что необходимо для считывания и управления спиновыми состояниями. Работа стоит в ряду недавних усилий по интеграции электронов на гелии с сверхпроводящими цепями: ранее были продемонстрированы контроль одиночных электронов и их связь с резонаторами, но сильный режим связи оставался недостижимым. Данная работа закрывает этот пробел, используя компактную квантовую точку и резонатор с высоким импедансом.
Электрон удерживается в квантовой точке размером 1.4×1.4 мкм2, сформированной электростатическими потенциалами над сверхтекучим гелием в микрофлюидном канале. Резонатор из нитрида титана с высоким кинетическим импедансом (Z = 3.8 кОм) усиливает связь с движением электрона в 20 раз по сравнению с прежними конструкциями. Связь измерялась через спектроскопию пропускания резонатора: при совпадении частоты движения электрона с частотой резонатора наблюдалось вакуумное расщепление Раби. Дополнительно использовалась двухтоновая спектроскопия для прямого зондирования энергетических уровней электрона и измерения времени релаксации T1.
Наблюдалось вакуумное расщепление Раби с силой связи g/2π = 118 ± 3 МГц, что превышает ширину линии резонатора κ/2π = 23 МГц и скорость декогеренции электрона Γ2/2π = 61 МГц (в оптимальных условиях). Кооперативность одного фотона составила C ≈ 32. Управление напряжением на электродах позволяло настраивать частоту движения электрона от 5.5 до 10 ГГц и уменьшать декогеренцию, прикладывая отрицательное смещение. Время энергетической релаксации T1 достигало 0.76 мкс и ограничивалось излучением Парселла в резонатор при малых расстройках. Декогеренция Γ2 возрастала с температурой по степенному закону $T^0$.5, что указывает на связь с низкочастотными возбуждениями поверхности гелия или флуктуирующими зарядами.
Работа впервые переводит электроны на гелии в режим сильной связи с микроволновым фотоном, что ставит эту платформу в один ряд с полупроводниковыми квантовыми точками, где такой режим уже позволил реализовать считывание спинов. Отличие от соседних работ в архиве — использование высокоимпедансного резонатора и компактной точки, что дало рекордную для этой системы силу связи. Это открывает путь к гибридизации зарядовых и спиновых состояний с помощью градиента магнитного поля и, следовательно, к считыванию спиновых кубитов за микросекунды.
Следующим шагом станет введение градиента магнитного поля для связи спинового состояния электрона с его движением и, через него, с резонатором. Это позволит реализовать считывание спина и, возможно, двухкубитные операции. Также предстоит выяснить природу остаточной декогеренции и найти способы её подавления, например, за счёт улучшения экранировки от зарядовых флуктуаций. В перспективе архитектура может быть масштабирована до массивов кубитов на общей гелиевой плёнке.
Результат повлияет на разработку квантовых компьютеров на электронах в сверхтекучем гелии, а также на фундаментальные исследования квантовой электродинамики цепей с одиночными частицами.
Интегрировать магнитный градиент в устройство и продемонстрировать связь спина с резонатором; изучить источники декогеренции при низких температурах.
Для платформы электронов на гелии ключевой нерешённой проблемой остаётся считывание спинового состояния за время, меньшее времени декогеренции. Данная работа решает первую половину задачи — сильную связь зарядового движения с фотоном, но не решает проблему управления спином и его защиты от шумов.
Этот раздел адресован автору работы и его коллегам. Соседние работы нашёл смысловой поиск по нашему архиву — не по совпадению слов, а по смыслу. Мы не рецензируем: мы показываем поле вокруг.
Что сделано в работе
В работе впервые реализована сильная связь между движением одиночного электрона на сверхтекучем гелии и микроволновым фотоном в сверхпроводящем резонаторе. Использована компактная квантовая точка и высокоимпедансный резонатор из нитрида титана, что позволило достичь силы связи g/2π = 118 МГц, превышающей декогеренцию и ширину линии резонатора. Продемонстрированы вакуумное расщепление Раби, настройка частоты электрона напряжением и измерение времени релаксации T1, ограниченного излучением Парселла.
В чём сила
Сильная связь в системе электрон-на-гелии открывает прямой путь к считыванию спиновых состояний через микроволновое поле. Высокий импеданс резонатора и компактная геометрия точки дают рекордную для этой платформы кооперативность, что делает возможной гибридизацию зарядовых и спиновых степеней свободы.
Куда можно двигаться
Что можно попробовать
Работы рядом в нашем архиве
Вокруг этой работы в архиве пусто: ближайший разбор всего на 0.56, при обычных 0.64. Похоже, рядом почти не бурили.
Электрон удерживается над гелием благодаря своему зеркальному заряду: он отталкивается от поверхности, но не может проникнуть в жидкость из-за барьера около 1 эВ. Глубина потенциальной ямы для электрона в точке составляет примерно 1000 ГГц, что в сотни раз больше энергии его движения.