Elektronien reikäsymmetria kvanttipisteissä näyttää lupaavalta kvanttilaskentaan - Physics World

Kaksikerroksisesta grafeenista valmistetuissa kvanttipisteissä on havaittu useita ainutlaatuisia ilmiöitä, jotka voisivat hyödyttää kvanttilaskentaa. Tutkimuksen teki Christoph Stampfer RWTH Aachenin yliopistossa ja kollegoissa Saksassa ja Japanissa, jotka osoittivat, kuinka rakenne voi vastaanottaa elektronin yhdessä kerroksessa ja reiän toisessa. Lisäksi näiden kahden entiteetin kvanttispin-tilat ovat lähes täydellisiä toistensa peilejä.

Kvanttipiste on pieni puolijohteen pala, jolla on elektroniset ominaisuudet, jotka muistuttavat enemmän atomia kuin massamateriaalia. Esimerkiksi kvanttipisteessä oleva elektroni virittyy sarjaksi kvantisoituja energiatasoja – aivan kuten atomissa. Tämä on toisin kuin perinteinen kiinteä aine, jossa elektronit viritetään johtavuuskaistaksi. Tätä atomin kaltaista käyttäytymistä voidaan hienosäätää säätämällä kvanttipisteen kokoa ja muotoa.

Kvanttipiste voidaan tehdä pienistä grafeenipaloista, joka on vain yhden atomin paksuinen hiililevy. Tällaiset kvanttipisteet voidaan tehdä vain yhdestä grafeenilevystä, kahdesta levystä (kaksikerroksinen grafeeni) tai useammasta.

Mielenkiintoisia spin-kubitteja

Yksi lupaava grafeenikvanttipisteiden sovellus on luoda kvanttibittejä (kubitteja), jotka tallentavat kvanttitietoa elektronien spin-tiloihin. Kuten Stampfer selittää, grafeenikvanttipisteiden kehityksellä on tärkeitä vaikutuksia kvanttitietokoneiden kehitykseen. "Grafeenin kvanttipisteet, jotka tunnistettiin ensimmäisen kerran vuonna 2007, nousivat mielenkiintoisiksi isänniksi spin-kubiteille, jotka voivat käyttää sekä elektroni- että reikäkvanttipisteitä helpottaakseen pitkän kantaman kytkentää", hän sanoo. Reiät ovat hiukkasmaisia ​​kokonaisuuksia, jotka syntyvät puolijohteisiin, kun elektroni viritetään. "Tämä läpimurto on luonut perustan lupaavalle kvanttilaskenta-alustalle, joka perustuu solid-state spin-kubitteihin", hän lisää.

Nyt Stampfer ja kollegat ovat vieneet ideaa eteenpäin valmistamalla kvanttipisteitä kaksikerroksisesta grafeenista. Tässä jokainen grafeenikerros toimii yksittäisenä kvanttipisteenä, mutta on läheisessä vuorovaikutuksessa toisessa kerroksessa olevan vastineen kanssa.

Kaksikerroksinen grafeeni voi vangita elektroneja ja reikiä, kun ulkoinen jännite kohdistetaan niiden yli – luoden ainutlaatuisen hilarakenteen. Viimeaikaisten ponnistelujen jälkeen kaksikerroksisen grafeenin molekyylirakenteen häiriön vähentämiseksi Stampferin tiimi on nyt saavuttanut uuden virstanpylvään tällä tutkimuslinjalla.

Portin viritettävyys

"Vuonna 2018 tämä lähestymistapa mahdollisti ensimmäisen kerran kaksikerroksisen grafeenin ainutlaatuisen sähkökentän aiheuttaman kaistavälin täysimääräisen hyödyntämisen yhden varauksenkantajan rajoittamiseksi", Stampfer selittää. "Parantamalla portin viritettävyyttä on nyt mahdollista valmistaa kvanttipistelaitteita, jotka ylittävät sen, mitä voidaan tehdä kvanttipistemateriaaleissa, kuten piissä, germaniumissa tai galliumarsenidissa."

Kaksikerroksisten rakenteiden keskeinen etu on kvanttipisteen elektronien ja reikien spin-tilojen ominaisuudet. Kokeillaan ryhmä havaitsi, että yksittäisten elektronien ja reikien tilat yhdessä grafeenikerroksessa heijastuivat lähes täydellisesti toisesta kerroksesta löytyvään pariin.

"Osoitamme, että kaksikerroksisilla grafeenielektronireikäkaksoiskvanttipisteillä on lähes täydellinen hiukkasreikäsymmetria", Stampfer jatkaa. "Tämä mahdollistaa kuljetuksen luomalla ja tuhoamalla yksittäisiä elektronireikäpareja, joilla on vastakkaiset kvanttiluvut."

Laadukas kaksikerroksinen grafeeni käy suureksi

Näillä tuloksilla voi olla tärkeitä vaikutuksia kvanttilaskentajärjestelmiin, jotka käyttävät elektroni-spin-kubitteja. Tämä johtuu siitä, että tällaiset kubitit pitäisi olla mahdollista kytkeä yhteen pidemmillä etäisyyksillä, samalla kun niiden spin-symmetriset tilat voidaan lukea luotettavammin. Tämä voisi viime kädessä mahdollistaa kvanttitietokoneiden skaalautuvan, kehittyneemmän ja virheenkestävämmän kuin nykyiset mallit.

Stampferin tiimi suunnittelee myös monia mahdollisia sovelluksia kvanttilaskennan lisäksi. ennustaa, kuinka kaksikerroksiset grafeenikvanttipisteet voisivat tarjota perustan nanomittakaavan ilmaisimille terahertsiaalloille, ja ne voitaisiin jopa kytkeä suprajohtimiin luomaan tehokkaita lähteitä kietoutuneille hiukkaspareille.

Tulevien tutkimustensa kautta tutkijat pyrkivät nyt syventymään kaksikerroksisten grafeenikvanttipisteiden kykyihin; mikä saattaa viedä niiden laajan soveltamisen kvanttiteknologioihin askeleen lähemmäksi.

Tutkimusta kuvataan luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• EVM Finance. Hajautetun rahoituksen yhtenäinen käyttöliittymä. Pääsy tästä.
• Quantum Media Group. IR/PR vahvistettu. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/