Az elektron-lyuk szimmetria a kvantumpontokban ígéretes a kvantumszámítás számára – Fizika világ

A kétrétegű grafénből készült kvantumpontokban számos egyedi jelenséget figyeltek meg, amelyek előnyösek lehetnek a kvantumszámítástechnika számára. A kutatást végezte Christoph Stampfer az RWTH Aacheni Egyetemen és kollégáival Németországban és Japánban, akik megmutatták, hogy a szerkezet hogyan képes befogadni egy elektront az egyik rétegben, és egy lyukat a másikban. Ráadásul ennek a két entitásnak a kvantum spin-állapotai közel tökéletes tükrei egymásnak.

A kvantumpont egy apró félvezető darab, amelynek elektronikus tulajdonságai inkább hasonlítanak egy atomhoz, mint egy ömlesztett anyaghoz. Például egy kvantumpontban lévő elektron kvantált energiaszintek sorozatára gerjesztődik – hasonlóan az atomhoz. Ez eltér a hagyományos szilárd testtől, amelyben az elektronok egy vezetési sávba vannak gerjesztve. Ez az atomszerű viselkedés finomhangolható a kvantumpont méretének és alakjának beállításával.

A kvantumpontot apró graféndarabkákból lehet készíteni, ami egy mindössze egy atom vastag szénréteg. Az ilyen kvantumpontok csak egy grafénlapból, két lapból (kétrétegű grafén) vagy többből készülhetnek.

Érdekes spin qubitek

A grafén kvantumpontjainak egyik ígéretes alkalmazása olyan kvantumbitek (qubit) létrehozása, amelyek kvantuminformációkat tárolnak az elektronok spinállapotaiban. Amint Stampfer kifejti, a grafén kvantumpontjainak fejlesztése fontos következményekkel jár a kvantumszámítógépek fejlesztésére. "A grafén kvantumpontok, amelyeket először 2007-ben ismertek fel, érdekes gazdákként jelentek meg a spin qubitek számára, amelyek elektron- és lyukkvantumpontokat is alkalmazhatnak a nagy hatótávolságú csatolás megkönnyítésére" - mondja. A lyukak részecskeszerű entitások, amelyek egy elektron gerjesztésekor jönnek létre a félvezetőben. "Ez az áttörés megteremtette az alapjait egy ígéretes kvantumszámítási platformnak, amely szilárdtest spin-qubiteken alapul" - teszi hozzá.

Most Stampfer és munkatársai tovább vitték az ötletet azáltal, hogy kétrétegű grafénből kvantumpontokat készítettek. Itt minden grafénréteg egyedi kvantumpontként működik, de szoros kölcsönhatásba lép a másik rétegben lévő megfelelőjével.

A kétrétegű grafén képes befogni az elektronokat és a lyukakat, ha külső feszültséget kapcsolnak rájuk – egyedi kapuszerkezetet hozva létre. A kétrétegű grafén molekuláris szerkezetének rendellenességeinek csökkentésére irányuló közelmúltbeli erőfeszítéseket követően Stampfer csapata most új mérföldkőhöz érkezett ebben a kutatási vonalban.

A kapu hangolhatósága

„2018-ban ez a megközelítés először tette lehetővé a kétrétegű grafén egyedi elektromos mező által kiváltott sávrésének teljes kihasználását az egyetlen töltéshordozó korlátozására” – magyarázza Stampfer. "A kapu hangolhatóságának további javításával most már olyan kvantumpont eszközöket lehet készíteni, amelyek túlmutatnak azon, amit a kvantumpont anyagokban, például szilíciumban, germániumban vagy gallium-arzenidben meg lehet tenni."

A kétrétegű szerkezetek fő előnye a kvantumpont elektronjai és lyukai spinállapotainak tulajdonságai. Kísérleteik során a csapat felfedezte, hogy az egyes elektronok és lyukak állapota az egyik grafénrétegben szinte tökéletesen tükröződik a másik rétegben található párban.

„Megmutatjuk, hogy a kétrétegű grafén elektronlyuk kettős kvantumpontjainak szinte tökéletes részecske-lyuk szimmetriája van” – folytatja Stampfer. "Ez lehetővé teszi a szállítást ellentétes kvantumszámú egyetlen elektron-lyuk párok létrehozásán és megsemmisítésén keresztül."

A kiváló minőségű kétrétegű grafén nagyra nyúlik

Ezeknek az eredményeknek fontos következményei lehetnek az elektron-spin qubiteket használó kvantumszámítási rendszerekre. Ez azért van így, mert lehetővé kell tenni az ilyen qubitek nagyobb távolságra történő összekapcsolását, miközben megbízhatóbban leolvassák spinszimmetrikus állapotukat. Ez végső soron lehetővé teheti, hogy a kvantumszámítógépek sokkal méretezhetőbbek, kifinomultabbak és ellenállóbbak legyenek a hibákkal szemben, mint a meglévő tervek.

Stampfer csapata a kvantumszámításon túl sok lehetséges alkalmazást is elképzel. megjósolni, hogy a kétrétegű grafén kvantumpontok miként adhatnak alapot a terahertz hullámok nanoméretű detektoraihoz, és akár szupravezetőkkel is összekapcsolhatók, hogy hatékony forrásokat hozzanak létre összegabalyodott részecskepárokból.

Jövőbeli kutatásaik során a kutatók most arra törekednek, hogy mélyebbre ássák a kétrétegű grafén kvantumpontok képességeit; potenciálisan egy lépéssel közelebb hozzák a kvantumtechnológiákban való széles körű alkalmazásukat.

A kutatás leírása a Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• EVM Finance. Egységes felület a decentralizált pénzügyekhez. Hozzáférés itt.
• Quantum Media Group. IR/PR erősített. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 adatintelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/