今日Science：解鎖量子信息處理新技術

一、【科學背景】

在量子光學中，通過研究單個粒子（如光子）在分束器（beam splitter）上的散射，可以產生單粒子或多粒子干涉，從而深入了解相同粒子的量子統計特性（如玻色子、費米子和任意子），以及它們之間的量子糾纏。對于電子而言，當兩個不可區分的電子在分束器上碰撞時，會發生“反聚束”（antibunching）現象，這是費米子的Hong-Ou-Mandel（HOM）效應的體現。因此，證明兩個電子的碰撞是實現電子量子光學“飛行量子比特”的一個里程碑，其中傳播的單個電子波包攜帶以其軌道自由度編碼的信息。

二、【創新成果】

基于此，法國巴黎薩克雷大學P. Roulleau教授與韓國科學技術院H.-S. Sim教授合作，在Science發表了題為“Electron collision in a two-path graphene interferometer”的論文，報道構建了一個基于石墨烯的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI），利用電壓脈沖按需生成單電子激發，并精確控制其發射能量和時間。這些電子激發沿著量子霍爾邊緣通道傳播并在MZI中碰撞。通過測量碰撞產生的散粒噪聲（shot noise），研究人員揭示了碰撞電子的基本特性，突顯了其波函數中不可區分和可區分部分之間的互補性。研究者們首先考慮了僅有一個分束器工作的情況，通過在左右接觸點施加正弦電壓脈沖，產生電子-空穴對，這些對在分束器處發生碰撞和分割，產生自相關散粒噪聲。接著，研究人員研究了在兩個分束器都工作時形成的MZI中的HOM效應。通過精確控制施加在源點的功率，研究者們觀察到了HOM效應和Aharonov-Bohm干涉的共存。本研究揭示了電子波函數的量子特性及其在量子信息處理中的應用潛力。

圖1 ?單分束器配置下的HOM實驗 ??2025?AAAS

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圖2 ?馬赫-曾德爾結構中的噪聲 ??2025?AAAS

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圖3 ?2e Leviton斷層掃描 ??2025?AAAS

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三、【科學啟迪】

綜上，本研究首次在石墨烯中實現了單電子的可控碰撞與全息量子態表征，結合兩粒子干涉（HOM效應）與單粒子干涉（AB效應），揭示了電子波函數的互補性特征。這不僅深化了對費米子量子統計的理解，也為基于石墨烯的量子器件開發奠定了實驗基礎。未來工作有望進一步拓展至多粒子糾纏、任意子操控等前沿領域。這項工作不僅在實驗上實現了電子的相干碰撞，還通過量子態層析成像技術展示了石墨烯在量子信息處理中的潛力。這對于未來開發基于石墨烯的量子器件和量子計算技術具有重要意義。

原文詳情：Electron collision in a two-path graphene interferometer?(Science?2025, 388, 492-496)

本文由賽恩斯供稿。