今日Science：解锁量子信息处理新技术

一、【科学背景】

在量子光学中，通过研究单个粒子（如光子）在分束器（beam splitter）上的散射，可以产生单粒子或多粒子干涉，从而深入了解相同粒子的量子统计特性（如玻色子、费米子和任意子），以及它们之间的量子纠缠。对于电子而言，当两个不可区分的电子在分束器上碰撞时，会发生“反聚束”（antibunching）现象，这是费米子的Hong-Ou-Mandel（HOM）效应的体现。因此，证明两个电子的碰撞是实现电子量子光学“飞行量子比特”的一个里程碑，其中传播的单个电子波包携带以其轨道自由度编码的信息。

二、【创新成果】

基于此，法国巴黎萨克雷大学P. Roulleau教授与韩国科学技术院H.-S. Sim教授合作，在Science发表了题为“Electron collision in a two-path graphene interferometer”的论文，报道构建了一个基于石墨烯的马赫-曾德尔干涉仪（MZI），利用电压脉冲按需生成单电子激发，并精确控制其发射能量和时间。这些电子激发沿着量子霍尔边缘通道传播并在MZI中碰撞。通过测量碰撞产生的散粒噪声（shot noise），研究人员揭示了碰撞电子的基本特性，突显了其波函数中不可区分和可区分部分之间的互补性。研究者们首先考虑了仅有一个分束器工作的情况，通过在左右接触点施加正弦电压脉冲，产生电子-空穴对，这些对在分束器处发生碰撞和分割，产生自相关散粒噪声。接着，研究人员研究了在两个分束器都工作时形成的MZI中的HOM效应。通过精确控制施加在源点的功率，研究者们观察到了HOM效应和Aharonov-Bohm干涉的共存。本研究揭示了电子波函数的量子特性及其在量子信息处理中的应用潜力。

图1  单分束器配置下的HOM实验 © 2025 AAAS

图2  马赫-曾德尔结构中的噪声 © 2025 AAAS

图3  2e Leviton断层扫描 © 2025 AAAS

三、【科学启迪】

综上，本研究首次在石墨烯中实现了单电子的可控碰撞与全息量子态表征，结合两粒子干涉（HOM效应）与单粒子干涉（AB效应），揭示了电子波函数的互补性特征。这不仅深化了对费米子量子统计的理解，也为基于石墨烯的量子器件开发奠定了实验基础。未来工作有望进一步拓展至多粒子纠缠、任意子操控等前沿领域。这项工作不仅在实验上实现了电子的相干碰撞，还通过量子态层析成像技术展示了石墨烯在量子信息处理中的潜力。这对于未来开发基于石墨烯的量子器件和量子计算技术具有重要意义。

原文详情：Electron collision in a two-path graphene interferometer (Science 2025, 388, 492-496)

本文由赛恩斯供稿。