Учеными из США было создано устройство, которое эффективно передает один электрон из одной точки двумерной решетки на поверхности жидкого гелия в другую, что позволяет делать масштабируемые массивы кубитов – логических битов квантового компьютера.

Электростатический потенциал никогда не принимает минимальные или максимальные значения в вакууме, поэтому разработка устройств, позволяющих «захватить» заряженные частицы в ловушку в конкретной точке пространства требует поиска специфического механизма.

За одну из работ по этой теме, а именно, за разработку методики ионного захвата, в 1989 году была присуждена Нобелевская премия.

Теперь же группа ученых из Princeton University (США) предложила использовать эту технологию для захвата электронов на поверхности жидкого гелия,

• во-первых, для улучшения транспорта электронов, и,
• во-вторых, – для возможности обнаружения заряженных частиц по одной.

Жидкий гелий на самом деле очень разряженная среда. Радиус атома гелия менее 50 пм (пикометров), кроме того, эти атомы отличаются большой амплитудой нулевых колебаний, поэтому среднее расстояние между атомами в жидком гелии-4 – порядка 360 пм (в гелии-3 оно немного больше). Таким образом, в жидком гелии потенциально есть много свободного места, где можно было бы разместить электроны. Однако особенности строения гелия-4 определяют достаточно высокую кинетическую энергию электрона, которая необходима для путешествий по этому пустому пространству.

Таким образом, низкоэнергетические электроны не могут проникать внутрь жидкого гелия.

С другой стороны, электрон на поверхности жидкого гелия вызывает небольшую поляризацию гелия, в результате которой появляется небольшая притягивающая сила. Силы притяжения и отталкивания электрона от поверхности образуют потенциальную яму.

Движение вдоль поверхности электронов, попавших в эту потенциальную яму, практически не требует затрат энергии. Электроны могут рассеиваться на парах газа или поверхностных капиллярных волнах, но оба эти эффекта достаточно слабы при низких температурах. При этом подвижность электронов на поверхности оказывается чрезвычайно высокой – она на 2 порядка превышает подвижность электронов в уникальном двумерном материале – графене.

Система, созданная учеными, отличается простым теоретическим описанием. По их данным, электроны на поверхности могут размещаться с достаточно высокой плотностью, образуя при этом невырожденную двумерную электронную систему (двумерную решетку Вингера, т.е. чисто-электронного кристалла).

Хотя Вингеровский кристалл интересен сам по себе, ученые сфокусировались на поиске методов контроля каждого отдельного электрона в такой системе. Теоретики предположили, что,

если подобные методы будут найдены, такая система сможет функционировать как массив кубитов в квантовом компьютере.

В 2001 году группа их коллег из University of London (Великобритания) уже продемонстрировала способ манипулирования полосой электронов, образующий подобный кристалл на поверхности жидкого гелия. На основе этой работы ученые предложили собственный способ управления отдельными электронами по сетке. Таким образом, была

предложена технология передачи квантовой информации между кубитами.

Следует отметить, что отличительной чертой предложенного устройства является то, что оно потенциально масштабируемо в размерах, т.е. впоследствии может использоваться для производства больших по площади массивов кубитов (битов квантового компьютера) из отдельных электронов.