量子比特在量子节点之间传播声波

放大 奥里希劳森/盖蒂图片社

受脉冲激光工作原理的启发，法国和日本科学家开发了一种声学对应物，可以在量子节点之间精确且受控地传输单个电子。

电子的自旋可以作为创建量子位的基础，这是量子计算中信息的基本单位。为了处理或存储这些信息，量子比特中的信息可能需要在网络中的量子节点之间传输。

一种选择是自行传输电子，现在可以通过让它们乘坐声波来完成。 “十多年前，我们第一次证明了这一点，”格勒诺布尔 Néel 研究所的首席研究员 Christopher Bauerle 说。

但是，这种技术有一个明显的缺点。与任何波一样，声波呈正弦形状，由许多最大值和最小值组成，因此很难预测电子的位置。

Bauerle 和他的团队现在通过设计具有单个最小值或单个最大值的波来规避这个问题。 “使用一种称为傅立叶合成的技术，我们将许多具有不同频率的波叠加在一起，因此只有一个最小值或最大值取决于你施加的是正电压还是负电压，”a- 他说。

Bauerle 将这些集中的声波与激光脉冲进行了比较。 “如果你想进行时间分辨测量，你可以用短激光脉冲激发系统。我们在使用声音的系统中使用了类似的技术。由于我们有一个聚焦的声脉冲，我们确切地知道电子将在什么时间到达一个节点，”他说。

位于柏林的保罗德鲁德半导体电子研究所的纳米电子学专家 Paulo Santos 将这项技术比作冲浪者乘风破浪。 “就像冲浪者被海洋中的波浪携带一样，电子量子比特乘着表面声波穿过量子网络，”未参与该研究的桑托斯评论道。

为了产生这些声波，将包含量子节点的芯片嵌入砷化镓晶体中，该晶体与沉积在压电基板上的两个镀金电极结合。通过向这些电极施加交流电压来产生电场。变化的电场使压电材料变形并产生表面声波。它们伴随着一个移动电场（由逆压电效应产生），有助于传输电子。

Bauerle 列出了该系统的几个优点，该系统的工作温度介于 20 毫开尔文和 1 开尔文之间。 “电子以音速（3,000 m/s）在节点之间传输。这与精确和受控的电子传输方式一起，使我们能够实时操纵量子信息。如果将其与光子量子系统进行比较，必须事先进行操作，因为信息以光速传输，这对于实时操作来说太快了，”他说。

此外，由于波形较大，这种技术可能会被缩放。 “单个声波可以同时传输来自不同量子节点的电子，”Bauerle 说，并补充说他们在实验期间实现了 99.4% 的传输效率。

根据 Santos 的说法，该技术独特的精确传输量子比特并在芯片上动态操作它们的能力在未来可能会有许多不同的应用。 “下一步是展示这些飞行量子比特的纠缠。另一项重大工作是将这项技术从砷化镓转移到其他材料，如硅。”

不过，他补充说，可能需要数年时间才能看到基于这项研究的实际应用。

Santos 指出，电子自旋只是量子信息处理的众多方法之一；其他选项包括光子、超导量子比特和冷原子。他强调，光子量子比特仍将是量子系统中的一种常用方法。

“有更多的人在从事基于光子的量子处理，因为已经有庞大的基础设施。例如，基于硅的芯片也内置了光学器件。电子”与片上集成兼容......