韩国标准研究院开发出利用类似“笼子”滤波器精确控制单电子能量技术

by Kim Jonghwa

Published 27 Feb.2025 09:07(KST)

降低电子不稳定性稳定实现量子态…加速高性能量子比特制造

韩国标准科学研究院（KRISS）利用与做菜时使用的“筛子”类似的“滤波器”，开发出一种能够将单电子（Single Electron）的能量按需调控的技术。

该技术可以降低外部环境造成的电子不稳定性，并稳定地实现量子态，有望作为进一步提升单电子量子比特（在量子计算中用于编码数据的信息基本单位）性能的基础技术加以应用。

研究过程示意图。韩国标准科学研究院提供

电子是构成原子的基本粒子，将电子的运动路径分割后，可以出现同时经过两条路径（0和1）的量子叠加现象。若将这一特性应用于信息处理，就可以构建量子比特。理论上，单电子量子比特可以在很小的面积内实现数十个量子比特，集成度极高，因此被视为可扩大量子计算规模的关键技术。

然而，由于电子本身对外部环境极为敏感，单电子量子比特的性能提升十分困难。量子比特的性能取决于量子态实现的精确程度以及维持的稳定程度，但电子太小且过于敏感，量子态本身就难以实现，同时在外部环境或与其他电子相互作用的影响下，能量状态极易变得不稳定，从而丧失量子特性。

KRISS量子器件研究组利用“能量滤波器”技术，能够按需调控单电子的能量形态，并降低电子的不稳定性。

研究团队所使用的能量滤波器，是一种类似于烹饪用“筛子”的导电通道，只允许具有一定阈值以上能量的电子通过，其余电子则被反射。

研究团队首先在一种用于囚禁电子的超微细半导体结构“量子点（Quantum Dot）”中生成单电子。随后在控制电子流动的超微细导电通道“量子点接触（Quantum Point Contact）”上施加合适电压，形成能量滤波器，仅选择性地让高能电子通过，从而将电子的能量不确定性降低了一半以上。

KRISS研究团队利用维格纳分布确认的单电子能量形态。KRISS提供

预计这一技术将广泛应用于包括高性能量子比特在内的单电子基础量子信息处理技术的开发。通过去除不必要的能量分布，并仅在特定能量范围内操控电子，不仅可以更稳定地实现电子的量子现象，还能最大限度地减少外部环境与其他电子之间的相互作用。

研究团队还开发出一种在二维图表上可视化由能量滤波器调控后的单电子形态的技术。

研究团队设计出一种方法，将通过能量滤波器前后单电子的形态，以“维格纳分布”进行对比。根据条件变化，单电子的时间—能量信息可以通过数字二维图表直观呈现，从而能够精细把握以往实验中未能捕捉到的单电子量子特性。

KRISS量子器件研究组首席研究员Bae Myeongho表示：“这一成果将有助于显著提高基于单电子的量子信息技术的实际应用可能性。”

本研究与全北大学教授Kim Jujin、韩国科学技术院教授Sim Heungseon、韩国科学技术研究院首席研究员Song Jindong合作完成，并获得韩国研究财团中坚研究者支援项目和KRISS基础项目的资助。研究成果已于去年10月发表在《Nano Letters》（影响因子：9.6）上。

◇维格纳分布（Wigner Distribution）：一种将电子的量子状态转化为时间（位置）—能量（动量）函数分布并进行可视化分析的方法。本次实验中，研究团队利用维格纳分布比较单电子的能量变化，并将其转换为数字信号进行精密分析，相关技术已成功开发。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。