Un qubit d'electró sobre heli és un bit quàntic per al qual els estats de la base ortonormal |0⟩ i |1⟩ es defineixen mitjançant estats mocionals quantificats o alternativament els estats d'espín d'un electró atrapat per sobre de la superfície de l'heli líquid. El qubit d'electrons sobre heli va ser proposat com a element bàsic per construir ordinadors quàntics amb electrons sobre heli per Platzman i Dykman el 1999. miniatura|400x400px|Il·lustració esquemàtica de qubits d'electrons sobre heli. Els graus de llibertat de Rydberg (esquerra), d'espín (centre) i orbital (dreta) s'han proposat com a estats base per a la computació quàntica.

Història dels electrons a l'heli La unió electrostrictiva dels electrons a la superfície de l'heli líquid va ser demostrada experimentalment per primera vegada per Bruschi i els seus col·laboradors el 1966. Cole i Cohen van desenvolupar un tractament teòric de la interacció electró-heli el 1969 i, independentment, Shikin el 1970. Un electró a prop de la superfície de l'heli líquid experimenta una força atractiva a causa de la formació d'una càrrega d'imatge feble (~0,01 e ) en el líquid dielèctric. Tanmateix, una barrera alta (~1 eV) formada a la superfície impedeix que l'electró entri al líquid a causa de la repulsió del nucli dur de l'electró pels àtoms d'heli. Com a resultat, l'electró queda atrapat fora del líquid. L'energia de l'electró en aquest pou de potencial es quantifica en una sèrie semblant a l'hidrogen amb la constant de Rydberg modificada RHe 10 −4 RH. Les energies d'enllaç dels estats fonamental (n = 1) i primer excitat (n = 2) són -7,6 K i -1,9 K respectivament i, com que l'energia necessària per a l'excitació és superior a la temperatura experimental típica ( 1 K), l'electró roman en l'estat fonamental, atrapat a diversos nanòmetres per sobre de la superfície del líquid. La primera evidència espectroscòpica d'aquests estats superficials va ser presentada per Grimes i els seus col·laboradors el 1976.

El moviment dels electrons paral·lel a la superfície de l'heli és lliure i, com que la superfície està lliure d'impureses, l'electró es pot moure a través de l'heli amb una mobilitat rècord. La superfície del líquid pot suportar densitats d'electrons fins a un límit electrohidrodinàmic de 2,4 bilions/cm², molt inferiors a les que s'aconsegueixen típicament en gasos d'electrons bidimensionals semiconductors. Per a densitats tan baixes, el sistema d'electrons es descriu mitjançant estadístiques no degenerades i, com que la interacció de Coulomb entre els electrons només està feblement filtrada per l'heli, la posició espacial d'un electró a la capa 2D està fortament correlacionada amb la dels seus veïns. A baixes temperatures (normalment per sota d'1 K), l'energia d'interacció de Coulomb supera l'energia tèrmica dels electrons i els electrons formen una xarxa triangular 2D, el sòlid clàssic de Wigner. La densitat superficial es pot augmentar cap al règim degenerat de Fermi en pel·lícules primes d'heli que cobreixen substrats sòlids, o en altres substrats criogènics que presenten una afinitat electrònica negativa com ara hidrogen sòlid o neó, tot i que les mesures en aquests substrats solen estar dificultades per la rugositat de la superfície. miniatura|320x320px|a) Dispositiu de porta dividida per a electrons en heli utilitzat per mesurar el transport d'un sol electró. Els electrons de superfície es mouen des del reservori del microcanal esquerre fins al reservori del microcanal dret a través d'una constricció formada per un elèctrode de porta dividida. (b) A baixes temperatures, els efectes clàssics d'ordenació d'electrons donen lloc a altiplans de corrent corresponents a 1, 2... electrons que passen un al costat de l'altre a través de la constricció. Des de la dècada del 1970, els electrons de l'heli s'han utilitzat per estudiar les propietats de líquids i sòlids d'electrons bidimensionals, així com el substrat d'heli líquid (4He o 3He). Entre les àrees de recerca més destacades hi ha les excitacions col·lectives d'electrons i els efectes del magnetoplasmó de vora, els fenòmens de transport de molts cossos i la fusió de Kosterlitz-Thouless en 2D, els efectes polarònics a la interfície de l'heli l'observació d'estats de resistència zero induïts per microones i estats incompressibles en el gas d'electrons no degenerat, i el mapatge de la textura del superfluid 3He mitjançant interaccions entre el sòlid d'electrons i les excitacions de quasipartícules en el superfluid. En els darrers anys, s'han utilitzat canals d'heli a escala micromètrica amb elèctrodes de porta subsuperficials per crear dispositius en què es poden manipular electrons d'un sol estat superficial, facilitant la integració d'electrons en heli amb arquitectures de dispositius semiconductors i circuits superconductors.

Esquemes de computació quàntica proposats: estats de Rydberg, espín i orbitals A la proposta de Platzman i Dykman, els nivells d'energia fonamental i primer nivell excitat de Rydberg dels electrons, atrapats per sobre dels elèctrodes submergits sota la superfície de l'heli, es van proposar com a estats base del qubit. La baixa temperatura intrínseca del sistema va permetre la preparació senzilla del qubit en l'estat fonamental. Les operacions amb qubits es van realitzar mitjançant l'excitació de la transició de Rydberg amb camps de microones ressonants a freqüències ~120 GHz. Les interaccions de qubits es van facilitar per la interacció de Coulomb de llarg abast entre els electrons. La lectura de qubits es va aconseguir mitjançant la ionització selectiva d'electrons excitats de la superfície d'heli. L'any 2000, Lea i els seus coautors van proposar que la lectura de qubits es podria aconseguir utilitzant un dispositiu de transistor d'un sol electró (SET) situat sota l'heli.

El 2006, Lyon va proposar que l'estat d'espín d'un electró sobre heli també es podria utilitzar com a qubit. Es va proposar una arquitectura similar a CCD per al control del sistema de molts qubits amb interacció dipol-dipol que permet operacions de porta de dos qubits per a espins adjacents. Un camp magnètic global paral·lel a la superfície de l'heli proporcionava l'eix per a l'excitació de l'espín, amb camps magnètics locals aplicats per conductors submergits utilitzats per portar els espins en ressonància amb camps de microones per a l'excitació de qubits. La interacció d'intercanvi per a qubits adjacents es va proposar com un esquema de lectura, tal com es demostra en dispositius semiconductors de doble punt quàntic.

El 2010, Schuster i els seus col·laboradors van proposar que, per a un electró en un potencial de captura lateral, els estats orbitals per al moviment paral·lel a la superfície de l'heli es podrien utilitzar com a estats base de qubits. La trampa d'electrons es va integrar en un dispositiu de cavitat coplanar superconductora. Es va demostrar que, com en molts sistemes de qubits superconductors, l'intercanvi ressonant de fotons de microones entre l'electró atrapat i la cavitat es podia descriure mitjançant l' hamiltonià de Jaynes-Cummings. Els qubits distants es podrien acoblar mitjançant un bus de cavitat. També es va demostrar que els gradients de camp magnètic locals podrien permetre l'acoblament entre l'estat d'espín de l'electró i el moviment lateral, facilitant la lectura de l'estat d'espín mitjançant espectroscòpia de microones de la cavitat.

Decoherència En qualsevol ordinador quàntic, la decoherència de la funció d'ona del qubit, a causa dels efectes de relaxació energètica o de desfasament, s'ha de limitar a una taxa adequadament baixa. Per als qubits d'electrons sobre heli, les deformacions de la superfície de l'heli a causa d'excitacions superficials o massives (ripplons o fonons) modifiquen el potencial de càrrega de la imatge i distorsionen la funció d'ona dels electrons. Per tant, per als estats de Rydberg i orbitals, s'espera que la font principal de decoherència sigui l'emissió de ripplons o fonons en el substrat d'heli. Tanmateix, s'espera que la velocitat de decaïment deguda a aquests processos sigui lenta (~100 μs) en comparació amb la velocitat a la qual es poden realitzar operacions amb qubits (~10 ns). Per a l'estat d'espín, la puresa inherent de l'entorn de qubit i la feble interacció de l'òrbita d'espín per a un electró que es mou per sobre de la superfície d'heli donen lloc a temps de coherència previstos. 1 s.

Desenvolupaments actuals La primera captura i detecció d'electrons individuals en heli va ser demostrada per Lea i els seus col·laboradors el 2005, utilitzant una trampa plena d'heli a escala micromètrica i un transistor d'electrons individual sota la superfície per comptar els electrons. Aquest experiment també va demostrar el primer acoblament entre un electró d'heli i un circuit quàntic superconductor. Posteriorment, altres experiments han demostrat progressos cap al control coherent d'electrons individuals en heli. Aquests inclouen el rellotge d'electrons ultraeficient en dispositius CCD de microcanal, mesures controlades de transport d'electrons individuals i la captura i manipulació de matrius d'electrons 1D El 2019, Koolstra i els seus col·laboradors de la Universitat de Chicago van demostrar l'acoblament d'un sol electró en heli a una cavitat superconductora de microones, amb una força d'acoblament g /2π ~ 5. MHz molt més gran que l'amplada de línia del ressonador ~0,5 MHz. El 2020, investigadors de la Universitat Estatal de Michigan i EeroQ van presentar nous resultats i progressos en la fabricació d'un disseny de xip d'electró sobre heli utilitzant l'estat de moviment lateral de l'electró, en freqüències en el rang de 5 a 10 GHz, utilitzant dispositius de lectura de transistors d'un sol electró. El 2026, investigadors d'EeroQ van demostrar un fort acoblament entre un fotó de freqüència de microones i l'estat de càrrega-qubit d'un electró sobre heli confinat en una estructura de punts quàntics.

Referències

Categoria:Mecànica quàntica