所提出的涉及被捕获电子的离子 - 电子混合量子系统的示意图。图片说明：东京大学的科学家发明了一种使用混合量子系统冷却和测量量子状态中被困电子运动的方法。图片来源：东京大学奥拓大田

量子计算机是强大的计算设备，依赖于量子力学，或者电子和原子等粒子如何与周围世界相互作用的科学。这些设备可能用于在更短的时间内解决某些类型的计算问题。

科学家们长期以来一直希望量子计算可能是计算的下一个伟大进步。然而，现有的限制阻止了该技术发挥其真正的潜力。为了使这些计算机工作，其操作中不可或缺的基本信息单元，称为量子比特或量子比特，需要稳定和快速。

量子比特既由简单的二进制量子态表示，也由各种物理实现表示。一个有希望的候选者是在真空中悬浮的被捕获电子。然而，控制被捕获电子的量子态，特别是振动运动可能很困难。

在发表在《物理评论研究》上的一篇论文中，研究人员确定了量子比特用于量子计算的一些局限性的可能解决方案。他们研究了两种不同的混合量子系统：电子 - 超导电路和电子 - 离子耦合系统。两个系统都能够控制温度和电子的运动。

“我们找到了一种方法来冷却并测量悬浮在真空中的电子的运动，或者量子状态下的被捕获电子的运动，”东京大学驹场科学研究所的助理教授Alto Osada说。“随着量子级控制被捕获电子运动的可行性，被捕获的电子对于量子技术应用（如量子计算）变得更加有前途和吸引力。

研究人员关注的拟议系统包括一个被困在真空中的电子，称为保罗陷阱，与超导电路相互作用，以及一个被捕获的离子。因为离子带正电，电子带负电，所以当它们被困在一起时，它们会因为一种叫做库仑引力的现象而相互移动。

由于电子具有这样的光质量，因此电子与电路与电子与离子之间的相互作用特别强。他们还发现，他们能够使用微波场和光学激光器来控制电子的温度。

研究人员用来衡量其计算成功的另一个重要指标是电子的声子模式。声子是指表征振动的能量单位，或者在这种情况下，被捕获的电子的振荡。理想的结果是单声子读出和基态冷却。基态冷却是指电子的冻结状态。

研究人员能够通过他们分析的两个混合系统来实现这些目标。“高效和高保真量子操作在捕获电子系统中可用，”Osada说。“这个新颖的系统表现为量子技术发展的新游乐场。

展望未来，研究人员指出，还需要进行额外的实验研究，看看他们的方法是否可以实施并应用于量子计算。例如，他们计划通过概念验证实验来展示他们的想法。“我们计划使用被困在微波腔中的电子来检查我们的方案，”Osada说。“通过这项研究，我们将能够朝着精确的量子操作和量子计算的实施又迈进了一步。

更多信息：Alto Osada等人，使用混合量子系统对捕获电子进行基态冷却和单声子读出的可行性研究，物理评论研究（2022）。DOI： 10.1103/物理研究.4.033245