混合量子点系统中单个库珀对的可控分裂

库珀对是超导材料中在低温下相互结合的电子对。这些电子对是超导性的根源，超导性是一种材料由于量子效应而在低温下具有零电阻的状态。作为相对较大且易于操纵的量子系统，超导体对于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(TUDelft)的研究人员最近展示了混合量子点系统中铜对可控分裂成其两个组成电子，并在分裂后保留它们。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新途径。

该研究的作者之一克里斯蒂安·普罗斯科(ChristianProsko)表示：“这项研究的动机是库珀对是超导性的基本成分，它可以无电阻地传输电流，它是由预计完全量子纠缠的电子对形成的。”论文，告诉Phys.org。

“许多研究小组之前的工作已经将库珀对分裂成两个组成电子，以检查这种纠缠，但我们希望在这些实验的基础上制造一种装置，在这种装置中，人们可以在分裂一个电子后“保留”两个电子。配对进一步调查他们的财产。”

虽然研究人员已经找到了多种方法来检查两个粒子是否量子纠缠，但在粒子分裂后保留它们可以极大地推进这些工作。LeoP.Kouwenhoven位于代尔夫特理工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，从而无需通过电流即可控制设备中的电子。

普罗斯科说：“在我们的例子中，我们通过确保它们被卡在量子点中来固定它们，量子点是一种半导体材料的区域，其设计的作用就像一个容纳电子的盒子。”

“同时，我们想演示一种实际检测库珀对分裂时刻的方法，因此我们设计了一种用量子点制成的探测器，它可以感知单个电子何时跳上或跳下。我应该注意到在这项工作进行期间，另一个小组观察到单个库珀对的分裂。”

测量到的与我们设备中的超导体耦合的微波谐振器的谐振频率的偏移，作为施加到周围量子点的电压的函数。当电子在点和超导体之间来回移动时，频率会发生变化。沿着图中两个类金刚石特征之间的线移动，单个库珀对被分裂，其电子移动到量子点上，如测量数据上覆盖的卡通图所示。图片来源：deJong等人。

分裂库珀对中束缚的电子的传统装置由基于超导体的电接触和两个由量子点分隔的普通金属接触组成。量子点通常一次仅接收一个电子，而流经半导体的电流则由电子库珀对携带。

“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，以便使其通过量子点流向电路的其他金属端子，”普罗斯科解释道。“在我们的例子中，我们用一块孤立的超导体取代了超导引线，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‘推出’。超导体，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创建的混合量子点系统没有电流流过。当他们将单个库珀对“推出”超导体时，电子被隔离到量子点上。通过这个过程，研究人员能够保留以前属于单个库珀对的一部分的分裂电子。

“我们最近的工作包括两部分：分裂单个库珀对并保留产生的电子，并分别演示一种无需外部电荷传感器即可检测跳跃到量子点的单个电子的方法，”普罗斯科说。“这两项成就加在一起将使我们能够引起库珀对分裂事件并实时检测新出现的电子，使我们更接近测试电子的量子纠缠，这对于超导性至关重要。”

本文的一些作者现已完成博士学位。在代尔夫特理工大学毕业后，他开始在其他机构和公司工作。未来，这些研究人员和仍属于Kouwenhoven实验室的其他学生将继续探索超导、量子纠缠和量子计算。

普罗斯科补充道：“我们希望我们的研究小组能够继续将单库珀对分裂技术与奇偶校验传感器相结合，奇偶校验传感器也可以检测电子的磁自旋。”

“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。类似的测试已经对半导体量子位中的电子进行了。另一方面，我们的研究小组对库珀对非常感兴趣最近，分离器被视为一种从奇异的所谓“马约拉纳束缚态”中构建特别强大的量子位的方法，并且通过使用我们摆脱一些主要接触的方法，这些量子位可能会更有效。”