La symétrie électron-trou dans les points quantiques est prometteuse pour l'informatique quantique

Plusieurs phénomènes uniques qui pourraient bénéficier à l'informatique quantique ont été observés dans des points quantiques fabriqués à partir de graphène bicouche. La recherche a été faite par Christophe Stampfer à l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle et des collègues en Allemagne et au Japon, qui ont montré comment la structure peut héberger un électron dans une couche et un trou dans l'autre. De plus, les états de spin quantique de ces deux entités sont des miroirs presque parfaits l'un de l'autre.

Un point quantique est un minuscule morceau de semi-conducteur dont les propriétés électroniques ressemblent davantage à un atome qu'à un matériau en vrac. Par exemple, un électron dans un point quantique est excité dans une série de niveaux d'énergie quantifiés - un peu comme dans un atome. Ceci est différent d'un solide conventionnel, dans lequel les électrons sont excités dans une bande de conduction. Ce comportement semblable à un atome peut être affiné en ajustant la taille et la forme du point quantique.

Un point quantique peut être fabriqué à l'aide de minuscules morceaux de graphène, qui est une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur. Ces points quantiques peuvent être constitués d'une seule feuille de graphène, de deux feuilles (graphène bicouche) ou plus.

Qubits de spin intéressants

Une application prometteuse des points quantiques de graphène consiste à créer des bits quantiques (qubits) qui stockent des informations quantiques dans les états de spin des électrons. Comme l'explique Stampfer, le développement des points quantiques de graphène a des implications importantes pour le développement des ordinateurs quantiques. "Les points quantiques de graphène, reconnus pour la première fois en 2007, sont apparus comme des hôtes intéressants pour les qubits de spin, qui peuvent utiliser à la fois des points quantiques d'électrons et de trous pour faciliter le couplage à longue distance", dit-il. Les trous sont des entités ressemblant à des particules qui sont créées dans un semi-conducteur lorsqu'un électron est excité. "Cette percée a jeté les bases d'une plate-forme informatique quantique prometteuse basée sur des qubits de spin à l'état solide", ajoute-t-il.

Maintenant, Stampfer et ses collègues ont poussé l'idée plus loin en fabriquant des points quantiques à partir de graphène bicouche. Ici, chaque couche de graphène fonctionne comme un point quantique individuel, mais interagit étroitement avec son homologue dans l'autre couche.

Le graphène bicouche peut piéger les électrons et les trous lorsqu'une tension externe leur est appliquée, créant ainsi une structure de grille unique. Suite aux efforts récents pour réduire le désordre dans la structure moléculaire du graphène bicouche, l'équipe de Stampfer a maintenant franchi une nouvelle étape dans cette ligne de recherche.

Accordabilité de la porte

"En 2018, cette approche a permis pour la première fois d'utiliser pleinement la bande interdite unique induite par le champ électrique dans le graphène bicouche pour confiner un seul porteur de charge", explique Stampfer. "En améliorant encore l'accordabilité de la porte, il est désormais possible de fabriquer des dispositifs à points quantiques qui vont au-delà de ce qui peut être fait dans les matériaux à points quantiques, notamment le silicium, le germanium ou l'arséniure de gallium."

Un avantage clé des structures bicouches réside dans les propriétés des états de spin des électrons et des trous du point quantique. Grâce à leurs expériences, l'équipe a découvert que les états des électrons et des trous individuels dans l'une des couches de graphène sont presque parfaitement reflétés dans la paire trouvée dans l'autre couche.

"Nous montrons que les doubles points quantiques électron-trou de graphène bicouche ont une symétrie particule-trou presque parfaite", poursuit Stampfer. "Cela permet le transport par la création et l'annihilation de paires électron-trou uniques avec des nombres quantiques opposés."

Le graphène bicouche de haute qualité devient grand

Ces résultats pourraient avoir des implications importantes pour les systèmes informatiques quantiques qui utilisent des qubits à spin électronique. En effet, il devrait être possible de coupler ces qubits ensemble sur de plus longues distances, tout en lisant leurs états symétriques de spin de manière plus fiable. Cela pourrait finalement permettre aux ordinateurs quantiques de devenir beaucoup plus évolutifs, sophistiqués et résistants aux erreurs que les conceptions existantes.

L'équipe de Stampfer envisage également de nombreuses applications possibles au-delà de l'informatique quantique. prédire comment les points quantiques de graphène bicouche pourraient fournir une base pour les détecteurs à l'échelle nanométrique pour les ondes térahertz, et pourraient même être couplés à des supraconducteurs pour créer des sources efficaces de paires de particules intriquées.

Grâce à leurs futures recherches, les chercheurs viseront désormais à approfondir les capacités des points quantiques de graphène bicouche; rapprochant potentiellement leur application généralisée dans les technologies quantiques.

La recherche est décrite dans Nature.

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• La source: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/