構(gòu)建容錯(cuò)、可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)面臨著一個(gè)巨大的工程障礙：大多數(shù)領(lǐng)先的量子比特平臺(tái)所需的極端低溫環(huán)境。超導(dǎo)量子比特和半導(dǎo)體量子點(diǎn)中的自旋量子比特通常要求在接近 10 mK（毫開爾文）的溫度下運(yùn)行，這需要復(fù)雜且昂貴的稀釋制冷機(jī)。最近發(fā)表在PRX的一篇論文，在液氦表面上方成功演示了在1 K以上對(duì)單個(gè)捕獲電子的傳感和控制，打破了這一傳統(tǒng)認(rèn)知，為實(shí)現(xiàn)更實(shí)用、更具可擴(kuò)展性的量子處理器提供了一條有前景的新途徑。

氦上電子量子比特平臺(tái)

“氦上電子”平臺(tái)于幾十年前首次被提出，其概念非常精妙。單個(gè)電子懸浮在液氦表面上方約 10 nm 處。這是因?yàn)殡娮颖缓ぴ优懦猓瑫r(shí)又被其在電介質(zhì)液體中感應(yīng)出的正鏡像電荷所吸引（鏡像勢(shì)）。這為電子創(chuàng)造了一個(gè)極其純凈的環(huán)境，使其基本上與困擾固態(tài)系統(tǒng)的缺陷、雜質(zhì)和晶格振動(dòng)隔絕。

這種純凈的隔離是該平臺(tái)最關(guān)鍵的理論優(yōu)勢(shì)：電子自旋態(tài)（作為量子比特）具有極長(zhǎng)的相干時(shí)間，預(yù)計(jì)可超過 100 秒。電子自旋與環(huán)境的耦合極小，預(yù)示著實(shí)現(xiàn)高保真度量子操作的潛力。然而，要實(shí)現(xiàn)這一潛力，就必須克服高精度捕獲、操控和讀取單個(gè)電子的挑戰(zhàn)。

突破毫開爾文限制

此前的實(shí)驗(yàn)已成功證明了對(duì)氦上單個(gè)電子的控制和讀取，但它們都局限于 mK 級(jí)別的溫度，限制了其大規(guī)模集成的實(shí)用性。這項(xiàng)突破性成就的關(guān)鍵在于，它證明了在高于 1 K 的溫度下可以可靠地進(jìn)行單個(gè)電子的傳感。這使得運(yùn)行溫度范圍有了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上的顯著提升。

實(shí)現(xiàn)這一進(jìn)步的關(guān)鍵在于使用了與微米級(jí)電子陷阱集成的超導(dǎo)共面波導(dǎo)（CPW）諧振器。

1. 捕獲機(jī)制：圖案化在液氦下方的柵電極產(chǎn)生了限制電勢(shì)，形成一個(gè)陷阱來捕獲單個(gè)電子。
2. 傳感與讀取：被捕獲的電子作為一個(gè)帶電粒子，與CPW諧振器的微波場(chǎng)耦合。當(dāng)電子被裝載到陷阱中時(shí)，其運(yùn)動(dòng)會(huì)改變局部電場(chǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致諧振器的諧振頻率發(fā)生色散頻移。
3. 在較高溫度下運(yùn)行：盡管在 1 K 時(shí)熱能遠(yuǎn)超電子的運(yùn)動(dòng)頻率，但該系統(tǒng)仍保持了清晰、可重復(fù)的單個(gè)電子頻率偏移。這一成功歸功于強(qiáng)大的捕獲電勢(shì)和靈敏的色散讀取方案相結(jié)合。

對(duì)可擴(kuò)展量子計(jì)算的意義

在 1 K 或更高的溫度下實(shí)現(xiàn)單個(gè)電子的運(yùn)行和傳感，對(duì)量子技術(shù)的可擴(kuò)展性具有深遠(yuǎn)的意義：

• 簡(jiǎn)化低溫基礎(chǔ)設(shè)施

最關(guān)鍵的影響是冷卻要求的放松。目前依賴 mK 運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)需要龐大、復(fù)雜且高耗能的稀釋制冷機(jī)。然而，在 1 K 運(yùn)行則可以使用更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)定、功率更大的泵浦氦-4制冷機(jī)。這些系統(tǒng)能提供顯著更高的冷卻功率（高達(dá) 100 mW 或更高），這對(duì)于消散大規(guī)模處理器中尋址數(shù)千個(gè)量子比特所需的控制線和片上電子元件所產(chǎn)生的熱量至關(guān)重要。

• 增強(qiáng)系統(tǒng)集成度

較高的運(yùn)行溫度有利于控制電子元件的集成。在 mK 系統(tǒng)中，許多必需的組件（如放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器）必須放置在低溫恒溫器外的室溫環(huán)境中，并通過長(zhǎng)而嘈雜的電纜連接。而在 1 K 下運(yùn)行，則可以將這些控制組件，特別是低溫放大器，放置得離量子比特芯片更近，甚至可以放在低溫恒溫器的 1 K 級(jí)。這種近距離集成可以實(shí)現(xiàn)更快、更節(jié)能、噪聲更小的控制。

• 驗(yàn)證量子比特的魯棒性

這一結(jié)果驗(yàn)證了一個(gè)長(zhǎng)期以來的理論預(yù)測(cè)：即使在熱能很高的情況下，氦上電子的自旋態(tài)仍然保持魯棒。由于自旋態(tài)是預(yù)期的量子比特，在這樣一個(gè)“溫暖”的環(huán)境中演示控制能力，為在更兼容大規(guī)模量子硬件的條件下研究和操縱自旋特性開辟了道路。

總而言之，在1 K以上對(duì)單個(gè)捕獲電子的傳感和控制的成功不僅是一次漸進(jìn)式的改進(jìn)，更是量子計(jì)算技術(shù)格局的根本性轉(zhuǎn)變。通過減輕令人生畏的低溫障礙，“氦上電子”平臺(tái)正從一個(gè)迷人的理論研究對(duì)象，轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)建未來大規(guī)模量子處理器的高度實(shí)用性候選方案。這項(xiàng)工作為將單個(gè)電子量子比特的純凈性和長(zhǎng)相干性與 1 K 低溫系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)健工程相結(jié)合，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。