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原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

编辑丨风云

飞行的量子比特以传播模式来编码量子信息。虽然光子飞行量子比特是可用的，但是光子之间的弱相互作用限制了条件量子门的效率。相反，电子飞行量子比特可以利用库仑相互作用，但传统半导体中较弱的量子相干性阻碍了它们的实现。

有鉴于此，巴黎萨克雷大学P. Roulleau等人设计了单个电子飞行量子比特态的按需注入及其在布洛赫球上的操纵。飞行量子比特是在高迁移率石墨烯单层的量子霍尔边缘通道中传播的Leviton。尽管对于飞行量子位的可行操纵仍然需要单次量子位读出和两个量子位操作，但在单电子水平上对巡回电子态的相干操纵为传统量子位提供了一种非常有前途的替代方案。

石墨烯中单电子的按需注入

对于石墨烯来说，虽然明确的量子点的开发是一个活跃的领域，但它们的制造仍然具有挑战性，并且电子泵尚未得到证实。目前已证明，通过将脉冲整形为洛伦兹函数，可以发射单个电子，而不会产生不需要的电子空穴对。这种激发被称为Leviton。这种方法还允许发射非常接近费米能量的电子，其中电子空穴对创建的空间最小，从而保护发射的电子免受可能的弛豫和退相干。作者演示了基于石墨烯中Leviton的按需单电子注入。

图1 量子霍尔体系中的光辅助散粒噪声

石墨烯量子位的相干操作和读取

接着，作者证明了单电子在传播过程中的相干操纵。最基本的量子操纵是布洛赫球上单个量子位的旋转，这可以通过电子MZI来实现分束器与Aharonov-Bohm效应相结合，可以实现谷等位旋飞行量子位的基本操作。通过噪声测量，表明Leviton的基本特性，即电子空穴对数量的最小化，在其通过干涉仪传播的过程中得以保留。

图2 Leviton和2e Leviton

电压脉冲的产生

作者所展示了使用的样本，全局石墨背栅和金属顶栅沉积在样品的右半部分，以便独立调节样品左半部分和右半部分的电子密度。通过调整位于PN结和石墨烯物理边缘之间交叉点的上侧栅极和下侧栅极，可以混合具有相反谷极化的N区和P区的边缘沟道。通过对一系列具有受控幅度和相位的谐波求和来构造周期性洛伦兹脉冲。在确定构建洛伦兹脉冲是可能的之后，利用洛伦兹扰动对费米海进行了能谱分析，以证明立维子产生的电子空穴对的最小化及2e-Leviton态的极角控制。

图3 2e Leviton态的极角控制

布洛赫球上的相干操纵

作者展示了单电子在通过电子MZI传播时的相干操纵。首先将此操作应用于正弦电压脉冲，显示了在多个频率值下作为磁场函数的散粒噪声，这些频率值用于构造Leviton。F_AB散粒噪声的振荡表明MZI的量子相干性在高频激励下仍然存在。最后，作者演示了布洛赫球赤道上电子量子态的旋转，证明了Leviton的连贯控制。

图4 MZI中的按需激励

图5 2e Leviton的相干操纵

参考文献：

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