يُظهر تناظر الثقوب الإلكترونية في النقاط الكمية وعدًا للحوسبة الكمومية - عالم الفيزياء

لوحظت العديد من الظواهر الفريدة التي يمكن أن تفيد الحوسبة الكمومية في النقاط الكمومية المصنوعة من الجرافين ثنائي الطبقة. تم إجراء البحث بواسطة كريستوف ستامفر في جامعة RWTH Aachen وزملاؤه في ألمانيا واليابان ، أظهروا كيف يمكن للبنية أن تستضيف إلكترونًا في طبقة واحدة وثقبًا في الأخرى. علاوة على ذلك ، فإن حالات الدوران الكمومي لهذين الكيانين هي مرايا شبه كاملة لبعضهما البعض.

النقطة الكمومية هي قطعة صغيرة من أشباه الموصلات لها خصائص إلكترونية تشبه الذرة أكثر من كونها مادة سائبة. على سبيل المثال ، يتم تحفيز الإلكترون الموجود في نقطة كمومية في سلسلة من مستويات الطاقة الكمية - كما هو الحال في الذرة. هذا على عكس المواد الصلبة التقليدية ، حيث يتم إثارة الإلكترونات في نطاق توصيل. يمكن ضبط هذا السلوك الشبيه بالذرة عن طريق ضبط حجم وشكل النقطة الكمومية.

يمكن صنع النقطة الكمومية باستخدام قطع صغيرة من الجرافين ، وهي عبارة عن لوح من الكربون بسمك ذرة واحدة فقط. يمكن أن تتكون هذه النقاط الكمومية من ورقة واحدة فقط من الجرافين ، أو من ورقتين (جرافين ثنائي الطبقات) أو أكثر.

كيوبت تدور مثيرة للاهتمام

أحد التطبيقات الواعدة لنقاط الجرافين الكمومية هو إنشاء بتات كمومية (كيوبت) تخزن المعلومات الكمومية في حالات دوران الإلكترونات. كما يوضح Stampfer ، فإن تطوير نقاط الجرافين الكمومية له آثار مهمة على تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. "ظهرت نقاط الجرافين الكمومية ، التي تم التعرف عليها لأول مرة في عام 2007 ، كمضيف مثير للاهتمام للكيوبتات الدورانية ، والتي يمكن أن تستخدم كلاً من الإلكترون والنقاط الكمومية للثقب لتسهيل الاقتران بعيد المدى" ، كما يقول. الثقوب هي كيانات تشبه الجسيمات يتم إنشاؤها في أشباه الموصلات عندما يكون الإلكترون متحمسًا. ويضيف: "لقد أرسى هذا الاختراق الأساس لمنصة حوسبة كمومية واعدة تعتمد على كيوبتات تدور في الحالة الصلبة".

الآن ، دفع Stampfer وزملاؤه الفكرة إلى أبعد من ذلك عن طريق تصنيع نقاط كمومية من الجرافين ثنائي الطبقة. هنا ، تعمل كل طبقة من طبقات الجرافين كنقطة كمية فردية ، ولكنها تتفاعل بشكل وثيق مع نظيرتها في الطبقة الأخرى.

يمكن للجرافين ثنائي الطبقة أن يحبس الإلكترونات والثقوب عندما يتم تطبيق جهد خارجي عبرها - مما يخلق بنية بوابة فريدة. بعد الجهود الأخيرة لتقليل الاضطراب في التركيب الجزيئي للجرافين ثنائي الطبقة ، وصل فريق Stampfer الآن إلى معلم جديد في هذا النوع من البحث.

الانضباط البوابة

يوضح Stampfer: "في عام 2018 ، أتاح هذا النهج أولاً إمكانية الاستفادة الكاملة من فجوة النطاق الفريدة الناتجة عن المجال الكهربائي في الجرافين ثنائي الطبقة لحصر حامل الشحنة الأحادية". "من خلال زيادة تحسين قابلية ضبط البوابة ، أصبح من الممكن الآن صنع أجهزة النقطة الكمومية التي تتجاوز ما يمكن عمله في مواد النقاط الكمومية بما في ذلك السيليكون أو الجرمانيوم أو زرنيخيد الغاليوم."

الميزة الرئيسية لهياكل الطبقة الثنائية هي خصائص حالات الدوران لإلكترونات وثقوب النقطة الكمومية. اكتشف الفريق من خلال تجاربهم أن حالات الإلكترونات الفردية والثقوب في إحدى طبقات الجرافين تنعكس تمامًا تقريبًا في الزوج الموجود في الطبقة الأخرى.

يتابع Stampfer: "لقد أظهرنا أن النقاط الكمومية المزدوجة ذات الثقوب الإلكترونية من الجرافين ثنائية الطبقة لها تناظر مثالي تقريبًا في الثقوب الجسيمية". "هذا يسمح بالنقل من خلال إنشاء وإبادة أزواج ثقب إلكتروني مفردة مع أرقام كم متعارضة."

الجرافين ثنائي الطبقة عالي الجودة يصبح كبيرًا

يمكن أن يكون لهذه النتائج آثار مهمة على أنظمة الحوسبة الكمومية التي تستخدم كيوبتات الإلكترون المغزلية. هذا لأنه يجب أن يكون من الممكن الجمع بين هذه الكيوبتات معًا على مسافات أطول ، مع قراءة حالاتها المتناظرة في الدوران بشكل أكثر موثوقية. يمكن أن يؤدي هذا في النهاية إلى تمكين أجهزة الكمبيوتر الكمومية من أن تصبح أكثر قابلية للتوسع وتعقيدًا ومقاومة للأخطاء من التصميمات الحالية.

يتصور فريق Stampfer أيضًا العديد من التطبيقات الممكنة بخلاف الحوسبة الكمومية. يتنبأ كيف يمكن للنقاط الكمومية للجرافين ثنائي الطبقة أن توفر أساسًا لكاشفات المقياس النانوي لموجات تيراهيرتز ، ويمكن حتى أن تقترن بالموصلات الفائقة لإنشاء مصادر فعالة لأزواج متشابكة من الجسيمات.

من خلال أبحاثهم المستقبلية ، سيهدف الباحثون الآن إلى التعمق أكثر في قدرات النقاط الكمومية للجرافين ثنائية الطبقة ؛ يحتمل أن يجعل تطبيقها على نطاق واسع في التقنيات الكمومية خطوة أقرب.

تم وصف البحث في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• تمويل EVM. واجهة موحدة للتمويل اللامركزي. الوصول هنا.
• مجموعة كوانتوم ميديا. تضخيم IR / PR. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء بيانات Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/