تقارن الکترون-حفره در نقاط کوانتومی نویدبخش محاسبات کوانتومی است - دنیای فیزیک

چندین پدیده منحصربه‌فرد که می‌توانند به محاسبات کوانتومی کمک کنند در نقاط کوانتومی ساخته شده از گرافن دولایه مشاهده شده‌اند. تحقیق توسط کریستف استمپفر در دانشگاه RWTH آخن و همکارانش در آلمان و ژاپن، که نشان دادند چگونه این ساختار می‌تواند میزبان یک الکترون در یک لایه و یک سوراخ در لایه دیگر باشد. علاوه بر این، حالات اسپین کوانتومی این دو موجودیت، آینه های کامل یکدیگر هستند.

نقطه کوانتومی یک قطعه کوچک نیمه هادی با خواص الکترونیکی است که بیشتر شبیه یک اتم است تا یک ماده حجیم. به عنوان مثال، یک الکترون در یک نقطه کوانتومی به یک سری از سطوح انرژی کوانتیزه شده برانگیخته می شود - بسیار شبیه به یک اتم. این بر خلاف یک جامد معمولی است که در آن الکترون ها به یک نوار رسانایی برانگیخته می شوند. این رفتار اتم مانند را می توان با تنظیم اندازه و شکل نقطه کوانتومی تنظیم کرد.

یک نقطه کوانتومی را می توان با استفاده از قطعات ریز گرافن، که ورقه ای از کربن با ضخامت تنها یک اتم است، ساخت. چنین نقاط کوانتومی را می توان تنها از یک ورق گرافن، دو ورقه (گرافن دولایه) یا بیشتر ساخت.

کیوبیت های چرخشی جالب

یکی از کاربردهای امیدوارکننده نقاط کوانتومی گرافن، ایجاد بیت‌های کوانتومی (کیوبیت) است که اطلاعات کوانتومی را در حالت‌های اسپین الکترون‌ها ذخیره می‌کند. همانطور که استمپفر توضیح می دهد، توسعه نقاط کوانتومی گرافن پیامدهای مهمی برای توسعه رایانه های کوانتومی دارد. او می‌گوید: «نقاط کوانتومی گرافن که برای اولین بار در سال 2007 شناسایی شدند، به عنوان میزبان‌های جالبی برای کیوبیت‌های اسپینی ظاهر شدند که می‌توانند از نقاط کوانتومی الکترونی و حفره‌ای برای تسهیل جفت شدن دوربرد استفاده کنند.» حفره ها ذرات مانندی هستند که در هنگام تحریک الکترون در نیمه هادی ها ایجاد می شوند. او می افزاید: «این پیشرفت، پایه و اساس یک پلت فرم محاسباتی کوانتومی امیدوارکننده مبتنی بر کیوبیت های اسپین حالت جامد را ایجاد کرده است.

اکنون استمپفر و همکارانش با ساختن نقاط کوانتومی از گرافن دولایه، این ایده را بیشتر پیش بردند. در اینجا، هر لایه گرافن به عنوان یک نقطه کوانتومی منفرد عمل می کند، اما تعامل نزدیکی با همتای خود در لایه دیگر دارد.

گرافن دولایه می‌تواند الکترون‌ها و حفره‌ها را هنگامی که یک ولتاژ خارجی بر روی آنها اعمال می‌شود به دام بیاندازد و یک ساختار دروازه منحصر به فرد ایجاد کند. به دنبال تلاش های اخیر برای کاهش بی نظمی در ساختار مولکولی گرافن دولایه، تیم Stampfer اکنون به نقطه عطف جدیدی در این خط تحقیقاتی رسیده است.

قابلیت تنظیم دروازه

استمپفر توضیح می‌دهد: «در سال 2018، این رویکرد برای اولین بار امکان استفاده کامل از شکاف نواری منحصربه‌فرد ناشی از میدان الکتریکی در گرافن دولایه را برای محدود کردن حامل‌های تک بار فراهم کرد. با بهبود بیشتر قابلیت تنظیم گیت، اکنون می‌توان دستگاه‌های نقطه کوانتومی ساخت که فراتر از آنچه می‌توان در مواد کوانتومی از جمله سیلیکون، ژرمانیوم یا آرسنید گالیم انجام داد، عمل کرد.

یک مزیت کلیدی ساختارهای دولایه، خواص حالت‌های اسپین الکترون‌ها و حفره‌های نقطه کوانتومی است. این تیم از طریق آزمایش‌های خود دریافتند که حالت تک تک الکترون‌ها و حفره‌ها در یکی از لایه‌های گرافن تقریباً به طور کامل در جفت موجود در لایه دیگر منعکس شده است.

استمپفر ادامه می‌دهد: «ما نشان می‌دهیم که نقاط کوانتومی دولایه الکترون حفره گرافن تقارن ذره-حفره تقریباً کاملی دارند. این امکان انتقال از طریق ایجاد و نابودی جفت‌های تک الکترون-حفره با اعداد کوانتومی متضاد را فراهم می‌کند.

گرافن دولایه با کیفیت بالا بزرگ می شود

این نتایج می‌تواند پیامدهای مهمی برای سیستم‌های محاسباتی کوانتومی داشته باشد که از کیوبیت‌های اسپین الکترون استفاده می‌کنند. این به این دلیل است که می‌توان چنین کیوبیت‌هایی را با هم در فواصل طولانی‌تر جفت کرد، در حالی که حالت‌های متقارن اسپین آنها را با اطمینان بیشتری خواند. این در نهایت می تواند کامپیوترهای کوانتومی را قادر سازد تا مقیاس پذیرتر، پیچیده تر و در برابر خطاها مقاوم تر از طراحی های موجود شوند.

تیم Stampfer همچنین بسیاری از کاربردهای ممکن را فراتر از محاسبات کوانتومی در نظر گرفته است. پیش‌بینی اینکه چگونه نقاط کوانتومی گرافن دولایه می‌توانند مبنایی برای آشکارسازهای نانومقیاس امواج تراهرتز فراهم کنند و حتی می‌توانند با ابررساناها جفت شوند تا منابع کارآمدی از جفت‌های درهم‌تنیده ذرات ایجاد کنند.

از طریق تحقیقات آینده خود، محققان اکنون قصد خواهند داشت تا به قابلیت‌های نقاط کوانتومی دولایه گرافن بپردازند. به طور بالقوه کاربرد گسترده خود را در فن آوری های کوانتومی یک قدم نزدیک تر می کند.

تحقیق در شرح داده شده است طبیعت.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• EVM Finance. رابط یکپارچه برای امور مالی غیرمتمرکز دسترسی به اینجا.
• گروه رسانه ای کوانتومی. IR/PR تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/