混合量子点系统中单个库珀对的可控分裂
两种库珀对分裂器的抽象图解。传统的库珀对分离器(包括图中褪色的部分)由一个超导触点组成，两个量子点将两个普通金属触点分开。当电流穿过电路时，量子点迫使库珀对在离开设备进入金属触点之前分裂。在我们的方法中(没有褪色的部分)，没有接触，超导体是一个孤立的材料。通过对量子点施加电压为V_L和V_R的电场，我们可以通过分裂库珀对将电子拉到量子点上，之后电子稳定地留在量子点上。资料来源:de Jong et al。
库珀对是超导材料中在低温下相互结合的电子对。这些电子对是超导的根源，由于量子效应，材料在低温下具有零电阻的状态。超导体作为相对较大且易于操作的量子系统，对量子计算机和其他先进技术的发展非常有用。
代尔夫特理工大学(TU Delft)的研究人员最近展示了在混合量子点系统中将铜对可控地分裂成两个组成电子，并在分裂后保持它们。他们的论文发表在《物理评论快报》上，可能为研究量子点系统中的超导性和纠缠开辟了新的途径。
该论文的作者之一克里斯蒂安·普罗斯科告诉Phys.org:“这项研究的动机是库珀对，超导的基本成分，携带无电阻的电流，是由预期完美量子纠缠的电子对形成的。”
“许多研究小组之前的工作都是将库珀对分裂成两个组成电子来检查这种纠缠，但我们希望通过制造一种设备来建立这些实验，在这种设备中，人们可以在分裂一对电子后'抓住'两个电子，以进一步研究它们的性质。”
虽然研究人员已经确定了多种方法来检查两个粒子是否量子纠缠，但在它们分裂后保留粒子可以极大地推进这些努力。Leo P. Kouwenhoven在代尔夫特工业大学的实验室专门研究利用微波谐振器探测电子运动的技术，使设备中的电子控制无需通过电流。
普罗斯科说:“在我们的研究中，我们通过确保它们被困在量子点上来固定它们。量子点是半导体材料的一个区域，被设计成一个容纳电子的盒子。”
“与此同时，我们想展示一种实际检测库珀对分裂时刻的方法，所以我们设计了一个量子点探测器，它可以感知单个电子何时跳跃或脱离它。我应该在这里指出，大约在这项工作的时候，另一个小组观察到单个库珀对的分裂。”
在我们的设备中，耦合到超导体的微波谐振器的谐振频率作为施加到周围量子点的电压的函数的测量位移。当电子在点和超导体之间来回移动时，频率会发生变化。沿着图中两个钻石状特征之间的线移动，单个库珀对被分裂，其电子移动到量子点上，由覆盖在测量数据上的卡通说明。资料来源:de Jong et al。
传统的分裂以库珀对束缚的电子的装置由一个基于超导体的电触点和两个由量子点分开的普通金属触点组成。量子点通常一次只接收一个电子，而流过超导体的电流是由电子库珀对携带的。
普罗斯科解释说:“如果你在超导体和金属触点之间施加电流，库珀对别无选择，只能分裂，以便通过量子点到达电路的其他金属终端。”“在我们的案例中，我们用一个孤立的超导体块取代了超导引线，并完全摆脱了电接触。通过对量子点和超导体施加电场，我们能够将单个库珀对从超导体中“推”出来，迫使它分裂成两个量子点。”
由于其独特的设计和没有电接触，普罗斯科和他的同事们创造的混合量子点系统没有电流流过。当他们从超导体中“推出”单个库珀对时，电子被隔离到量子点上。通过这个过程，研究人员能够抓住之前属于单个库珀对的分裂电子。
普罗斯科说:“我们最近的工作包括两部分:分裂单个库珀对并抓住产生的电子，并分别演示一种方法，可以在没有外部电荷传感器的情况下检测跳到量子点上的单个电子。”“这两项成就将使人们能够引起库珀对分裂事件，并实时检测新出现的电子，使我们离测试电子的量子纠缠更近一步，这是超导性的基础。”
这篇论文的一些作者现在已经完成了他们在代尔夫特理工大学的博士学位，并开始在其他研究所和公司工作。在未来，这些研究人员和其他仍然是Kouwenhoven实验室成员的学生将继续探索超导、量子纠缠和量子计算。
普罗斯科补充说:“我们希望我们的研究小组能继续将单库珀对分裂技术与宇称传感器结合起来，这种传感器也能探测到电子的磁自旋。”
“这将允许对贝尔不等式进行测试，我们可以验证超导体中的电子确实是量子纠缠的。类似的测试已经在半导体量子比特中的电子上进行了。另一方面，我们的研究小组最近对库珀对分裂器非常感兴趣，认为这是一种利用所谓的“马约拉纳束缚态”构建特别健壮的量子位的方法，通过使用我们摆脱一些铅接触的方法，这些量子位可能会更有效。”
更多信息:Damaz de Jong等，混合量子点系统中的可控单库珀对分裂，物理评论快报(2023)。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.131.157001。
期刊信息:Physical Review Letters