所提出的涉及被捕獲電子的離子 - 電子混合量子系統的示意圖。圖片說明：東京大學的科學家發明了一種使用混合量子系統冷卻和測量量子狀态中被困電子運動的方法。圖片來源：東京大學奧拓大田

量子計算機是強大的計算設備，依賴于量子力學，或者電子和原子等粒子如何與周圍世界相互作用的科學。這些設備可能用于在更短的時間内解決某些類型的計算問題。

科學家們長期以來一直希望量子計算可能是計算的下一個偉大進步。然而，現有的限制阻止了該技術發揮其真正的潛力。為了使這些計算機工作，其操作中不可或缺的基本信息單元，稱為量子比特或量子比特，需要穩定和快速。

量子比特既由簡單的二進制量子态表示，也由各種物理實現表示。一個有希望的候選者是在真空中懸浮的被捕獲電子。然而，控制被捕獲電子的量子态，特别是振動運動可能很困難。

在發表在《物理評論研究》上的一篇論文中，研究人員确定了量子比特用于量子計算的一些局限性的可能解決方案。他們研究了兩種不同的混合量子系統：電子 - 超導電路和電子 - 離子耦合系統。兩個系統都能夠控制溫度和電子的運動。

“我們找到了一種方法來冷卻并測量懸浮在真空中的電子的運動，或者量子狀态下的被捕獲電子的運動，”東京大學駒場科學研究所的助理教授Alto Osada說。“随着量子級控制被捕獲電子運動的可行性，被捕獲的電子對于量子技術應用（如量子計算）變得更加有前途和吸引力。

研究人員關注的拟議系統包括一個被困在真空中的電子，稱為保羅陷阱，與超導電路相互作用，以及一個被捕獲的離子。因為離子帶正電，電子帶負電，所以當它們被困在一起時，它們會因為一種叫做庫侖引力的現象而相互移動。

由于電子具有這樣的光質量，因此電子與電路與電子與離子之間的相互作用特别強。他們還發現，他們能夠使用微波場和光學激光器來控制電子的溫度。

研究人員用來衡量其計算成功的另一個重要指标是電子的聲子模式。聲子是指表征振動的能量單位，或者在這種情況下，被捕獲的電子的振蕩。理想的結果是單聲子讀出和基态冷卻。基态冷卻是指電子的凍結狀态。

研究人員能夠通過他們分析的兩個混合系統來實現這些目标。“高效和高保真量子操作在捕獲電子系統中可用，”Osada說。“這個新穎的系統表現為量子技術發展的新遊樂場。

展望未來，研究人員指出，還需要進行額外的實驗研究，看看他們的方法是否可以實施并應用于量子計算。例如，他們計劃通過概念驗證實驗來展示他們的想法。“我們計劃使用被困在微波腔中的電子來檢查我們的方案，”Osada說。“通過這項研究，我們将能夠朝着精确的量子操作和量子計算的實施又邁進了一步。

更多信息：Alto Osada等人，使用混合量子系統對捕獲電子進行基态冷卻和單聲子讀出的可行性研究，物理評論研究（2022）。DOI： 10.1103/物理研究.4.033245

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