单电子量子比特平台 | 前沿快讯No.20

近年来，伴随着各种量子比特平台在量子信息处理各个领域取得的显著成功，量子信息科学和技术快速发展。引人注目的包括超导量子电路、半导体量子点，电磁捕获离子、光捕获原子、自然或植入缺陷以及磁性分子等。在不同的量子信息载体中，孤立的单电子是具有自旋1/2大质量粒子，通过量子电动力学与光子相互作用，为有效的操作和远程纠缠提供了最直接的方法。迄今为止，电子量子比特主要在半导体异质结和半导体-氧化物界面中构造。尽管有标准化的制备方式和方便的电场调控手段，这些电子量子比特面临的一个主要挑战是由于材料缺陷或背景噪声而导致的有限相干时间。在这种趋势下，一种新型的、嵌入在低噪声的纯环境中的单电子量子比特，可能为解决相干性的挑战提供了前所未有的机会。由于快速操作和较大可扩展性的固有特点，单电子量子比特平台在未来发展成为理想的量子计算体系结构具有巨大的潜力。

本文作者美国阿尔贡(Argonne)国家实验室Xianjing Zhou等实验实现了基于被困在真空超低温固体氖表面的量子比特平台。通过在电路量子电动力学结构中集成一个电子井，在单个电子的运动态和超导谐振器中单个微波光子之间实现了强耦合。采用量子比特门和色散读出操作测量能量弛豫时间和相位相干时间分别为15微秒和200纳秒。这些结果表明固体氖上的电子量子比特已经接近最先进的电荷量子比特。

相关研究成果以Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform为题，发表在《自然》  Nature  605, 46-50 (2022)上。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04539-x

近年来，基于二维材料的人工范德华异质结构引起了广泛的关注，它们为研究基础物理和器件应用提供了一个新的平台。范德华异质结构为在独立二维层之间的界面上实现新的物理性质提供了新的途径。垂直堆叠的二维材料，如石墨烯和过渡金属卤化物，在人工范德华异质结构中存在扭曲的角度或晶格失配，由于空间变化的原子位置会导致莫尔超晶格的形成，引起丰富的物理现象包括强关联绝缘相、超导电性和莫尔激子等。莫尔超晶格有助于空间有序激子态（激子和三角子）的形成，可用于多体系统和相干量子光发射体集合的量子模拟。其有趣的莫尔激子性质将受到与磁性元素的相互作用的影响和控制。

本文作者京都大学Yan Zhang等在在MoSe2/MnPS3范德华异质结构中实现了与反铁磁序元激发相互作用的莫尔激子系统。通过精确测量低温光致发光光谱在低能区域具有的额外精细光谱结构，反映了MnPS3低于Neel温度时磁振子和三角莫尔激子的耦合。具有长寿命和相干时间的精细光谱结构归因于被困在莫尔电势中的层间磁振子和三角莫尔激子复合体。这些发现突出了磁振子和三角莫尔激子复合体的发现，并为探索具有磁性功能的莫尔激子系统中的新量子现象提供了一种新的途径。

相关研究成果以Magnon-Coupled Intralayer Moiré Trion in Monolayer Semiconductor–Antiferromagnet Heterostructures为题，发表在《先进材料》 Advanced Materials 34, 2200301 (2022)上。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202200301

电子向列性在高温超导体中很常见，同时向列相是一个研究铜酸盐超导体、铁基超导体、最近发现的Kagome晶格超导体、扭曲双层超导体中高温超导配对作用的主要课题。在铁基超导体中，向列序电子相破坏了旋转对称但依旧保持平移对称性。由于在铁基高温超导体的相图中存在普遍的向列相，而且它可能在不同的家族中有不同的起源，向列性和超导性之间的相互作用是该领域争论的热点。在铁基超导体中，FeSe具有最简单的晶体结构，同时具有向列性和超导性。此外，长程磁有序的缺失使其成为研究向列性与超导配对相互作用的理想系统。通过施加物理或化学压力、插层或栅压调控的方法，以及在合适的衬底物上生长单层FeSe，可以有效地调节FeSe中的物相。

本文作者上海交通大学物理天文学院杨媛媛等在FeSe1−xSx超导体中实现了高分辨率角分辨率光电子能谱测量，在所有样品的布里渊区中心附近观察到两个异常的两个空穴型能带，其很可能来源于额外对称性破缺。同时在这两个空穴型能带中都证实了高度各向异性超导能隙和节点的存在。作者发现外面的空穴型能带上较大的超导能隙随温度线性减小，直到向列相转变温度；内部空穴型能带上的能隙则几乎与S取代无关。其结果表明，尽管超导转变温度不仅受配对强度的控制，但超导能隙随向列性的增强而增大，为FeSe超导家族理论研究提供了关键证据。

相关研究成果以Unusual Band Splitting and Superconducting Gap Evolution with Sulfur Substitution in FeSe为题，作为Express Letter发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 39 057302 (2022)上。

原文链接：

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/5/057302#1

中国物理学会官方微信公众号本着“传播科学精神，服务科研工作者”的宗旨，特开设“前沿快讯”栏目，选录近期发表的前沿文章，对文中摘要和引言进行中文导读。由于译者水平有限，难免出现不准确之处，请通过留言批评指正。留言经编辑确认后，将及时进行勘误说明，供后来浏览者参考。