单电子电路中传输的可扩展解决方案

每次传输单个电子的电路可以在量子计算机的节点之间发送量子信息，但研究人员一直在努力控制足够精确的电子运动。现在，物理学家已经证明了利用聚焦声波改进了对单电子传输的控制，它沿着芯片表面携带粒子，就像水波推动冲浪者一样[1]。随着进一步的发展，研究人员预计该技术将有助于量子计算机中的复杂电路工程或控制精密设备，如单光子源。

以前用声波传输电子使用的是所谓的声表面波，它可以沿着任何固体的表面传播。法国Grenoble Alpes University的Christopher Bäuerle说：“声波提供了一种在纳米级设备中传输单个电子的强大方式，但很难获得精确的控制，因为声波通常包含许多周期。”在先前的实验中，一个延伸的、多循环的波有许多波峰，因此电子随时间的位置是不确定的。

现在，由Bäuerle领导的一个团队开发了一种方法，它使用一种强烈的、局部的声脉冲，而不是扩展的波。Bäuerle将聚焦的脉冲与潮汐孔进行了类比，潮汐孔是一种小的潮汐波，通常在河流中逆流而上，并携带着物体。正如他和他的同事所展示的，“声波潮汐孔”可以精确地控制电子在长距离的传输。

为了测试这一原理，研究人员在压电材料中制造了一个电子芯片，施加的电压会自然地产生压差。芯片的左侧由一系列专门设计的电极组成，以电激发短时间的声表面波。这些脉冲被定向到芯片的右侧，在那里它们穿过一条带有两个量子点的路径——量子点是一种半导体结构，能够捕获和保持单个电子。这些点之间相隔8微米，由一条叫做量子轨的狭窄的传导通道连接起来。

该团队将单个电子装入第一个量子点，然后沿路径发送一个声脉冲。由于材料的压电特性，传播的声脉冲携带着电压脉冲。实际上，正是这种由声波诱导的电压脉冲从第一个量子点捕获了电子，并将其传输到第二个量子点。

在大约70000次的一系列实验中，该团队证明，该技术在两个量子点之间移动电子的成功率超过99%。更重要的是，聚焦波可以更好地控制电子的位置。Grenoble Alpes团队成员Junliang Wang解释说，之前的实验使用的波大概有100个周期。“这意味着有100个可能的位置可以捕获电子。”通过产生单周期波，Junliang Wang和他的同事可以使其控制电子的位置和到达时间等方面的效率提高100倍。

Bäuerle建议，随着进一步的发展，这项技术应该提供一种灵活的手段来精确控制电子在利用电子电荷或自旋处理信息的电路中的运动。此外，单个声脉冲在通过扩展电路时可能在不同时刻传输多个电子，这使得该技术对构建和操作更复杂的电路非常有用。

“这真的是一项很好的工作，”德国University of Münster的纳米系统物理学家Hubert Krenner说，“声表面波是控制包括电子在内的多种量子系统的优秀工具。这项工作在创造单周期波方面达到了卓越的精度水平。”他预计这项技术将特别适用于单光子源，在那里声波可以用来精确触发光子发射。

引用：[1]J. Wang等人，“单周期声脉冲的产生：单电子电路中传输的可扩展解决方案”，物理修订版X 12，031035（2022）

信息源于：physics.aps.org

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