Электрон-на-гелий кубит

Кубит электрона на гелии — это квантовый бит , для которого ортонормированные базисные состояния |0⟩ и |1⟩ определяются квантованными двигательными состояниями или, альтернативно, спиновыми состояниями электрона, захваченного над поверхностью жидкого гелия . [1] [2] Кубит «электрон на гелии» был предложен в качестве основного элемента для создания квантовых компьютеров с электронами на гелии Платцманом и Дайкманом в 1999 году. [3] 

Электрострикционное связывание электронов с поверхностью жидкого гелия было впервые экспериментально продемонстрировано Бруски и его сотрудниками в 1966 году. [4] Теоретическая трактовка взаимодействия электронов с гелием была развита Коулом и Коэном в 1969 году [5] и независимо Шикиным в 1970 г. [6] Электрон вблизи поверхности жидкого гелия испытывает силу притяжения вследствие образования слабого (~0,01 е ) заряда изображения в диэлектрической жидкости. Однако проникновению электрона в жидкость препятствует высокий (~ 1 эВ) барьер, образующийся на поверхности из-за жесткого отталкивания электрона атомами гелия. В результате электрон остается запертым вне жидкости. Энергия электрона в этой потенциальной яме квантуется в водородоподобном ряду с модифицированной константой Ридберга R He 10 -4 R H . Энергии связи основного ( n = 1) и первого возбужденного ( n = 2) состояний составляют -7,6 К и -1,9 К соответственно, и, поскольку энергия, необходимая для возбуждения, выше типичной экспериментальной температуры ( 1 К), электрон остается в основном состоянии, захваченный на несколько нанометров над поверхностью жидкости. Первое спектроскопическое свидетельство этих поверхностных состояний было представлено Граймсом и его сотрудниками в 1976 году. [7]  

Движение электронов параллельно поверхности гелия является свободным, а поскольку поверхность свободна от примесей, электрон может перемещаться по гелию с рекордно высокой подвижностью . [8] Поверхность жидкости может поддерживать плотность электронов до электрогидродинамического предела 2,4×10 9 см -2 , что намного ниже, чем обычно достигается в полупроводниковых двумерных электронных газах . При таких малых плотностях электронная система описывается невырожденной статистикой, а поскольку кулоновское взаимодействие между электронами слабо экранируется гелием, пространственное положение электрона в 2D-слое сильно коррелирует с положением его соседей. При низких температурах (обычно ниже 1 К) энергия кулоновского взаимодействия превосходит тепловую энергию электронов, и электроны образуют двумерную треугольную решетку, классическое тело Вигнера . [9] Поверхностная плотность может быть увеличена в сторону вырожденного режима Ферми на тонких пленках гелия, покрывающих твердые подложки, или на других криогенных подложках, которые проявляют отрицательное сродство к электрону, таких как твердый водород или неон, хотя измерениям на этих подложках обычно препятствует поверхностная плотность. шероховатость. [10]  

С 1970-х годов электроны на гелии используются для изучения свойств двумерных электронных жидкостей и твердых тел, а также подложки из жидкого гелия ( 4 He или 3 He). Известные области исследований включают коллективные электронные возбуждения [11] и краевые магнитоплазмонные эффекты, [12] явления переноса многих тел и плавление Костерлица-Таулеса в 2D, [13] поляронные эффекты на границе раздела гелия, [14] наблюдение микроволновых индуцированные состояния нулевого сопротивления [15] и несжимаемые состояния [16] в невырожденном электронном газе, а также отображение текстуры сверхтекучего 3 He посредством взаимодействия между электронным твердым телом и квазичастичными возбуждениями в сверхжидкости. [17] В последние годы гелиевые каналы микронного масштаба с подповерхностными затворными электродами использовались для создания устройств, в которых можно манипулировать отдельными электронами в поверхностном состоянии, [18] [19] облегчая интеграцию электронов на гелии с полупроводником. архитектуры устройств и сверхпроводящие схемы.