日本东北大学与日本国立材料科学研究所（NIMS）的研究人员取得一项突破，实现了基于二维材料的量子器件的超灵敏、高速电荷检测，解决了高阻二维材料量子器件难以高速测量的技术瓶颈。
量子计算机有望在部分计算任务上实现指数级加速，但其研发和调试需要大量重复测试。为加快量子技术整体发展进程，亟需能够超高速读取量子态的方法。然而，双层石墨烯等二维材料虽在构建长相干时间稳定量子比特方面潜力巨大，但由其制成的量子器件电阻很高，长期阻碍了灵敏的高频测量；在缺乏阻抗匹配手段的情况下，快速、准确的状态读出十分困难。
针对这一瓶颈，研究团队将钛酸锶（SrTiO3）制成的可变电容器集成到高频谐振电路中，使系统与高阻二维材料量子器件实现近乎完美的阻抗匹配，从而清晰捕捉到电子逐个进出量子点所产生的“库仑振荡”信号。该系统在垂直磁场下仍保持稳定，而这是运行自旋—谷量子比特的必要条件。
东北大学高级材料研究所（WPI-AIMR）副教授Tomohiro Otsuka表示：“通过将基于钛酸锶的可变电容器应用于二维材料量子器件，即使在垂直磁场下，我们也实现了近乎完美的阻抗匹配。这解锁了相当于或超过传统量子点传感器的电荷检测灵敏度，为二维材料中的高速量子比特读出提供了一个强大的新平台。”
Otsuka解释说：“快速评估量子态必不可少，但二维材料的高电阻阻碍了这一过程。由于量子比特开发需要大量重复的统计测量，快速读出技术是必不可少的催化剂。这项基础技术将大大加快基于二维材料的量子器件的整体研发周期。”
该研究直接针对量子物理领域长期存在的测量瓶颈，使基于二维材料的高阻量子器件也能实现高速、灵敏的电荷检测，有望加速下一代量子计算机的研发，并最终推动医药、物流和网络安全等领域的变革。
(a)本研究中使用的测量电路示意图。(b)在优化可变电容器之后，作为基于2D材料的量子点栅极电压的函数测量的射频反射测量响应
(a)在改变可变电容器的电容时测量的库仑振荡。在阻抗不匹配条件下无法检测到的振荡在阻抗匹配条件下得到了明确解决。(b)观察到的峰的最大斜率作为电容的函数绘制。斜率在阻抗匹配条件下达到最大值，从而实现高灵敏度的电荷检测
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41699-026-00730-0
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