Elektron-augu sümmeetria kvantpunktides näitab lubadust kvantarvutamiseks – Füüsikamaailm

Kahekihilisest grafeenist valmistatud kvantpunktides on täheldatud mitmeid unikaalseid nähtusi, mis võivad kvantarvutamisele kasu tuua. Uurimise viis läbi Christoph Stampfer RWTH Aacheni ülikoolis ja kolleegidega Saksamaal ja Jaapanis, kes näitasid, kuidas struktuur suudab ühes kihis elektroni ja teises auku majutada. Veelgi enam, nende kahe olemi kvantspinni olekud on peaaegu üksteise täiuslikud peeglid.

Kvantpunkt on väike pooljuhttükk, millel on elektroonilised omadused, mis sarnanevad rohkem aatomile kui puistematerjalile. Näiteks kvantpunktis olev elektron ergastatakse kvantiseeritud energiatasemete seeriaks – umbes nagu aatomis. See on erinevalt tavalisest tahkest ainest, milles elektronid ergastatakse juhtivusribaks. Seda aatomitaolist käitumist saab täpselt häälestada kvantpunkti suuruse ja kuju reguleerimisega.

Kvantpunkti saab teha väikestest grafeenitükkidest, mis on vaid ühe aatomi paksune süsinikuleht. Sellised kvantpunktid võivad olla valmistatud ainult ühest grafeenilehest, kahest lehest (kahekihiline grafeen) või enamast.

Huvitavad spin-qubits

Üks paljutõotav grafeeni kvantpunktide rakendus on luua kvantbitid (kubitid), mis salvestavad kvantteavet elektronide spin-olekutes. Nagu Stampfer selgitab, on grafeeni kvantpunktide väljatöötamisel oluline mõju kvantarvutite arengule. "Grafeenist kvantpunktid, mida esmakordselt tuvastati 2007. aastal, kujunesid huvitavateks spin-kubitite peremeesteks, mis võivad pikamaa sidestamise hõlbustamiseks kasutada nii elektron- kui ka aukkvantpunkte," ütleb ta. Augud on osakeste sarnased üksused, mis tekivad pooljuhtides elektroni ergastamisel. "See läbimurre on pannud aluse paljutõotavale kvantarvutusplatvormile, mis põhineb tahkis-spin-kubitidel," lisab ta.

Nüüd on Stampfer ja kolleegid seda ideed edasi lükanud, valmistades kahekihilisest grafeenist kvantpunkte. Siin toimib iga grafeenikiht individuaalse kvantpunktina, kuid suhtleb tihedalt oma teise kihi vastega.

Kahekihiline grafeen võib püüda elektrone ja auke, kui neile rakendatakse välist pinget – luues ainulaadse väravastruktuuri. Pärast hiljutisi jõupingutusi kahekihilise grafeeni molekulaarstruktuuri häirete vähendamiseks on Stampferi meeskond jõudnud selles uurimisvaldkonnas uue verstapostini.

Värava häälestatavus

"2018. aastal võimaldas see lähenemisviis esmakordselt täielikult ära kasutada kahekihilise grafeeni ainulaadset elektriväljast põhjustatud ribalaiust, et piirata ühe laengukandjaga, " selgitab Stampfer. "Värava häälestatavuse edasise parandamisega on nüüd võimalik teha kvantpunktseadmeid, mis lähevad kaugemale sellest, mida saab teha kvantpunktmaterjalides, sealhulgas räni, germaaniumi või galliumarseniidiga."

Kahekihiliste struktuuride peamine eelis on kvantpunkti elektronide ja aukude spinni olekute omadused. Oma katsete käigus avastas meeskond, et üksikute elektronide ja aukude olekud ühes grafeenikihis peegelduvad peaaegu ideaalselt teises kihis leiduvas paaris.

"Näitame, et kahekihilistel grafeeni elektron-augu topeltkvantpunktidel on peaaegu täiuslik osakeste-augu sümmeetria," jätkab Stampfer. "See võimaldab transportida vastandlike kvantarvudega üksikute elektron-augu paaride loomise ja hävitamise kaudu."

Kvaliteetne kahekihiline grafeen läheb suureks

Need tulemused võivad avaldada olulist mõju kvantarvutussüsteemidele, mis kasutavad elektronide spin-kubitte. Seda seetõttu, et selliseid kubite peaks olema võimalik siduda pikemate vahemaade tagant, lugedes samal ajal nende pöörlemissümmeetrilisi olekuid usaldusväärsemalt. See võib lõppkokkuvõttes võimaldada kvantarvutitel muutuda palju mastaapsemaks, keerukamaks ja vigade suhtes vastupidavamaks kui olemasolevad kujundused.

Stampferi meeskond näeb ka palju võimalikke rakendusi peale kvantarvutuse. ennustada, kuidas kahekihilised grafeeni kvantpunktid võivad olla aluseks terahertslainete nanoskaala detektoritele ja neid saab isegi ühendada ülijuhtidega, et luua tõhusaid takerdunud osakeste paaride allikaid.

Oma tulevaste uuringute kaudu püüavad teadlased nüüd süveneda kahekihiliste grafeeni kvantpunktide võimalustesse; mis võib tuua nende laialdase rakendamise kvanttehnoloogiates sammu võrra lähemale.

Uuringut kirjeldatakse artiklis loodus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• EVM Finance. Detsentraliseeritud rahanduse ühtne liides. Juurdepääs siia.
• Quantum Media Group. IR/PR võimendatud. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 andmete luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/