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为解决飞行电子量子比特在非绝热 regime 操控难题，研究人员在 14 μm 长马赫 - 曾德尔干涉仪（MZI）中注入 30 ps 超短单电子等离激元脉冲。发现量子相干性在按需注入下稳健，确认高频非绝热 regime 存在，为可扩展量子信息处理提供新路径。
在量子信息领域，构建高效稳定的量子比特体系始终是核心挑战。传统固态量子比特如超导量子比特和半导体量子点虽已取得显著进展，但受限于硬件规模和互联难度，难以满足大规模量子计算的需求。飞行量子比特凭借传播特性有望突破这一瓶颈，其中光子虽具高相干性，但其超快速度导致动态操控困难，且缺乏直接相互作用，需依赖复杂光学网络实现纠缠，硬件成本高昂。相比之下，电子飞行量子比特因库仑相互作用可直接纠缠，且传播速度较慢便于实时控制，成为极具潜力的替代方案。然而，要实现其优势，关键在于开发能将单电子波包按需注入量子器件、且脉冲时长与器件尺寸相当甚至更短的技术，这一直是该领域的研究难点。
为攻克这一难题，法国格勒诺布尔 - 阿尔卑斯大学（Université Grenoble Alpes）等机构的研究人员开展了深入研究。他们在《Nature Communications》发表的论文中，展示了在量子纳米电子系统中，向 14 微米长的马赫 - 曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer, MZI）注入超短单电子等离激元脉冲的突破性成果，证实了量子相干性在按需注入超短等离激元脉冲下的稳健性，并揭示了高频非绝热 regime 的存在，为飞行量子比特在量子信息处理中的应用奠定了关键基础。
研究主要采用以下关键技术方法：
- 器件制备：在 GaAs/AlGaAs 异质结上通过电子束光刻制备 MZI 结构，包含隧道耦合线（TCW）作为电子分束器，利用表面栅极调控电子轨迹，器件总长度为 14 μm。
- 超短脉冲生成：使用基于频率梳合成的自制电压脉冲发生器，结合高带宽偏置 Tee，产生最短 30 ps 的电压脉冲，注入到 MZI 的欧姆接触端，生成单电子等离激元脉冲。
- 相干性测量：通过锁相放大器测量输出电流，分析磁通量和侧栅电压对电子波包相位的调控，利用傅里叶变换和量子整流效应研究器件的频率响应。
- 数值模拟：结合 nextnano 静电势模拟和 Kwant 软件的兰道尔 - 布蒂克（Landauer-Büttiker）输运计算，验证实验中非线性效应的来源及非绝热 regime 的特性。
结果
电子马赫 - 曾德尔干涉仪器件特性
MZI 通过隧道耦合线实现电子态叠加，磁通量或侧栅电压（Vsg）可诱导上下臂相位差。直流偏置下，观测到输出电流 I0 和 I1 的反相振荡，磁通量周期为 0.5 mT，对应面积 8.2 μm2，与器件几何一致。侧栅电压变化约 20 mV 可引起 2π 相移，表明器件具备精确的相位调控能力。
器件非线性特性
通过分解电流的对称（IS）和反对称（IAS）分量，发现对称电流在低至 25 μV 偏压下即表现非线性，源于隧道耦合线的能量依赖传输。数值模拟显示，非线性效应与隧道耦合线的传导模式能量相关性一致，为研究频率响应提供了基础。
频率响应与非绝热 regime
低频（≤100 MHz）时，器件响应符合绝热近似，振荡幅度与直流重建结果一致。当频率超过 1 GHz 时，观测到显著偏离绝热行为，进入非绝热 regime。 Floquet 散射理论模拟证实了该频率下动态相位效应的主导作用，实验与模拟结合表明，隧道耦合线的低能模式导致非绝热效应在相对较低频率（~1 GHz）出现。
单电子波包干涉
利用 30 ps 超短脉冲注入，实现单电子量级的量子干涉。通过泵 - 探针技术测得脉冲时间分辨轨迹，输出电流呈现清晰反相振荡，背景电流极低。电荷数分析表明，短脉冲可使单个电子通过干涉仪，且信号对比度随脉冲缩短增强，归因于高能量分量对非线性特性的敏感性。
结论与讨论
本研究首次在实验上证实了超短电子波包在非绝热 regime 下的量子相干性，突破了传统认为非绝热效应需在远高于 1 GHz 频率出现的认知。通过优化脉冲时长（30 ps）和器件结构，实现了单电子量级的相干操控，为多飞行量子比特纠缠和大规模量子门操作铺平了道路。
研究意义主要体现在：
- 技术突破：展示了按需注入超短等离激元脉冲的可行性，为飞行量子比特的实时控制提供了关键技术验证。
- 物理发现：揭示了低频非绝热 regime 的存在，深化了对超快电子动力学与量子器件相互作用的理解。
- 应用前景：有望减少量子计算硬件占用，提升互联性和可扩展性，为构建基于电子飞行量子比特的新型量子信息处理架构奠定基础。
未来研究可进一步探索多量子比特纠缠、单电子态量子隐形传态，并优化脉冲时长至太赫兹频段，以实现单个处理单元内更多量子门操作，推动量子计算向实用化迈出重要一步。
