Η συμμετρία ηλεκτρονίων-οπών σε κβαντικές κουκκίδες δείχνει υπόσχεση για κβαντικούς υπολογιστές – Physics World

Αρκετά μοναδικά φαινόμενα που θα μπορούσαν να ωφελήσουν τον κβαντικό υπολογισμό έχουν παρατηρηθεί σε κβαντικές κουκκίδες που κατασκευάζονται από γραφένιο διπλής στιβάδας. Η έρευνα έγινε από Κρίστοφ Στάμπφερ στο Πανεπιστήμιο RWTH του Άαχεν και συνεργάτες στη Γερμανία και την Ιαπωνία, οι οποίοι έδειξαν πώς η δομή μπορεί να φιλοξενήσει ένα ηλεκτρόνιο στο ένα στρώμα και μια τρύπα στο άλλο. Επιπλέον, οι καταστάσεις κβαντικής περιστροφής αυτών των δύο οντοτήτων είναι σχεδόν τέλειοι καθρέφτες μεταξύ τους.

Μια κβαντική κουκκίδα είναι ένα μικροσκοπικό κομμάτι ημιαγωγού με ηλεκτρονικές ιδιότητες που μοιάζουν περισσότερο με άτομο παρά με χύμα υλικό. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο σε μια κβαντική κουκκίδα διεγείρεται σε μια σειρά κβαντισμένων ενεργειακών επιπέδων - όπως σε ένα άτομο. Αυτό δεν μοιάζει με ένα συμβατικό στερεό, στο οποίο τα ηλεκτρόνια διεγείρονται σε μια ζώνη αγωγιμότητας. Αυτή η συμπεριφορά που μοιάζει με άτομο μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια προσαρμόζοντας το μέγεθος και το σχήμα της κβαντικής κουκκίδας.

Μια κβαντική κουκκίδα μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας μικροσκοπικά κομμάτια γραφενίου, το οποίο είναι ένα φύλλο άνθρακα πάχους μόλις ενός ατόμου. Τέτοιες κβαντικές κουκκίδες μπορούν να κατασκευαστούν από ένα μόνο φύλλο γραφενίου, δύο φύλλα (διστρωματικό γραφένιο) ή περισσότερα.

Ενδιαφέροντα spin qubits

Μια πολλά υποσχόμενη εφαρμογή των κβαντικών κουκκίδων γραφενίου είναι η δημιουργία κβαντικών δυαδικών ψηφίων (qubits) που αποθηκεύουν κβαντικές πληροφορίες στις καταστάσεις σπιν των ηλεκτρονίων. Όπως εξηγεί ο Stampfer, η ανάπτυξη των κβαντικών κουκκίδων γραφενίου έχει σημαντικές επιπτώσεις στην ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών. «Οι κβαντικές κουκκίδες γραφενίου, που αναγνωρίστηκαν για πρώτη φορά το 2007, εμφανίστηκαν ως ενδιαφέροντες ξενιστές για spin qubits, που μπορούν να χρησιμοποιήσουν κβαντικές κουκκίδες ηλεκτρονίων και οπών για να διευκολύνουν τη σύζευξη μεγάλης εμβέλειας», λέει. Οι οπές είναι οντότητες που μοιάζουν με σωματίδια που δημιουργούνται σε ημιαγωγούς όταν ένα ηλεκτρόνιο διεγείρεται. «Αυτή η ανακάλυψη έθεσε τα θεμέλια για μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα κβαντικών υπολογιστών που βασίζεται σε qubits περιστροφής στερεάς κατάστασης», προσθέτει.

Τώρα, ο Stampfer και οι συνεργάτες του έχουν προωθήσει περαιτέρω την ιδέα κατασκευάζοντας κβαντικές κουκκίδες από διπλοστοιβάδα γραφένιο. Εδώ, κάθε στρώμα γραφενίου λειτουργεί ως μεμονωμένη κβαντική κουκκίδα, αλλά αλληλεπιδρά στενά με το αντίστοιχο του άλλου στρώματος.

Το γραφένιο διπλής στιβάδας μπορεί να παγιδεύσει ηλεκτρόνια και οπές όταν εφαρμόζεται εξωτερική τάση σε αυτά - δημιουργώντας μια μοναδική δομή πύλης. Μετά τις πρόσφατες προσπάθειες για τη μείωση της διαταραχής στη μοριακή δομή του διπλού στρώματος γραφενίου, η ομάδα του Stampfer έχει πλέον φτάσει σε ένα νέο ορόσημο σε αυτή τη γραμμή έρευνας.

Συντονισμός πύλης

«Το 2018, αυτή η προσέγγιση κατέστησε για πρώτη φορά δυνατή την πλήρη χρήση του μοναδικού κενού ζώνης που προκαλείται από ηλεκτρικό πεδίο σε διπλοστοιβάδα γραφενίου για τον περιορισμό ενός φορέα φόρτισης», εξηγεί ο Stampfer. «Με την περαιτέρω βελτίωση της δυνατότητας συντονισμού της πύλης, είναι πλέον δυνατό να κατασκευαστούν συσκευές κβαντικής κουκκίδας που υπερβαίνουν αυτό που μπορεί να γίνει σε υλικά κβαντικής κουκκίδας, όπως πυρίτιο, γερμάνιο ή αρσενίδιο του γαλλίου».

Ένα βασικό πλεονέκτημα των δομών διπλής στιβάδας είναι οι ιδιότητες των καταστάσεων σπιν των ηλεκτρονίων και των οπών της κβαντικής κουκκίδας. Μέσω των πειραμάτων της, η ομάδα ανακάλυψε ότι οι καταστάσεις των μεμονωμένων ηλεκτρονίων και των οπών σε ένα από τα στρώματα γραφενίου αντικατοπτρίζονται σχεδόν τέλεια στο ζεύγος που βρίσκεται στο άλλο στρώμα.

«Δείχνουμε ότι οι διπλές κβαντικές κουκκίδες ηλεκτρονίων-οπών γραφενίου διπλής στιβάδας έχουν σχεδόν τέλεια συμμετρία σωματιδίων-οπής», συνεχίζει ο Stampfer. «Αυτό επιτρέπει τη μεταφορά μέσω της δημιουργίας και της εκμηδένισης ζευγών μεμονωμένων ηλεκτρονίων-οπών με αντίθετους κβαντικούς αριθμούς».

Το γραφένιο διπλής στιβάδας υψηλής ποιότητας γίνεται μεγάλο

Αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις για συστήματα κβαντικών υπολογιστών που χρησιμοποιούν qubits ηλεκτρονίων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι θα πρέπει να είναι δυνατή η σύζευξη τέτοιων qubits μαζί σε μεγαλύτερες αποστάσεις, ενώ διαβάζονται οι συμμετρικές καταστάσεις περιστροφής τους πιο αξιόπιστα. Αυτό θα μπορούσε τελικά να επιτρέψει στους κβαντικούς υπολογιστές να γίνουν πολύ πιο επεκτάσιμοι, εξελιγμένοι και ανθεκτικοί σε σφάλματα από τα υπάρχοντα σχέδια.

Η ομάδα του Stampfer προβλέπει επίσης πολλές πιθανές εφαρμογές πέρα ​​από τον κβαντικό υπολογισμό. Η πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο οι κβαντικές κουκκίδες διπλής στιβάδας γραφενίου θα μπορούσαν να παρέχουν τη βάση για ανιχνευτές νανοκλίμακας για κύματα terahertz και θα μπορούσαν ακόμη και να συζευχθούν με υπεραγωγούς για να δημιουργήσουν αποτελεσματικές πηγές μπερδεμένων ζευγών σωματιδίων.

Μέσω της μελλοντικής τους έρευνας, οι ερευνητές θα επιδιώξουν τώρα να εμβαθύνουν στις δυνατότητες των κβαντικών κουκκίδων διπλού στρώματος γραφενίου. φέρνοντας ενδεχομένως την ευρεία εφαρμογή τους στις κβαντικές τεχνολογίες ένα βήμα πιο κοντά.

Η έρευνα περιγράφεται στο Φύση.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• EVM Finance. Ενιαία διεπαφή για αποκεντρωμένη χρηματοδότηση. Πρόσβαση εδώ.
• Quantum Media Group. Ενισχυμένο IR/PR. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/