סימטריית חור אלקטרוני בנקודות קוונטיות מראה הבטחה למחשוב קוונטי - עולם הפיזיקה

מספר תופעות ייחודיות שיכולות להועיל למחשוב קוונטי נצפו בנקודות קוונטיות העשויות מגרפן דו-שכבתי. המחקר נעשה על ידי כריסטוף שטמפפר באוניברסיטת RWTH Aachen ועמיתים בגרמניה וביפן, שהראו כיצד המבנה יכול לארח אלקטרון בשכבה אחת וחור בשכבה השנייה. יתרה מכך, מצבי הספין הקוונטי של שתי הישויות הללו הם מראות כמעט מושלמות זו של זו.

נקודה קוונטית היא חתיכה זעירה של מוליך למחצה עם תכונות אלקטרוניות הדומות יותר לאטום מאשר לחומר בתפזורת. לדוגמה, אלקטרון בנקודה קוונטית נרגש לסדרה של רמות אנרגיה מכוונטיות - בדומה לאטום. זה בניגוד למוצק רגיל, שבו אלקטרונים נרגשים לרצועת הולכה. ניתן לכוונן התנהגות דמוית אטום זו על ידי התאמת הגודל והצורה של הנקודה הקוונטית.

ניתן ליצור נקודה קוונטית באמצעות חתיכות זעירות של גרפן, שהוא יריעת פחמן בעובי של אטום אחד בלבד. נקודות קוונטיות כאלה יכולות להיות עשויות רק מגיליון אחד של גרפן, שני גיליונות (גרפן דו-שכבתי) או יותר.

ספין קיוביטים מעניינים

יישום מבטיח אחד של נקודות קוונטיות של גרפן הוא יצירת סיביות קוונטיות (קווביטים) המאחסנות מידע קוונטי במצבי ספין של אלקטרונים. כפי שסטמפפר מסביר, להתפתחות של נקודות קוונטיות של גרפן יש השלכות חשובות על פיתוח מחשבים קוונטיים. "נקודות קוונטיות של גרפן, שהוכרו לראשונה ב-2007, הופיעו כמארחים מעניינים עבור ספין קיוביטים, שיכולים להשתמש בנקודות קוונטיות של אלקטרונים וגם של חורים כדי להקל על צימוד לטווח ארוך", הוא אומר. חורים הם ישויות דמויות חלקיקים שנוצרות במוליכים למחצה כאשר אלקטרון מתרגש. "פריצת הדרך הזו הניחה את הבסיס לפלטפורמת מחשוב קוונטי מבטיחה המבוססת על קיוביטים של ספין במצב מוצק", הוא מוסיף.

כעת, סטמפפר ועמיתיו דחפו את הרעיון עוד יותר על ידי ייצור נקודות קוונטיות מגרפן דו-שכבתי. כאן, כל שכבת גרפן מתפקדת כנקודה קוונטית בודדת, אך מקיימת אינטראקציה הדוקה עם המקבילה שלה בשכבה השנייה.

גרפן דו-שכבתי יכול ללכוד אלקטרונים וחורים כאשר מתח חיצוני מופעל עליהם - יצירת מבנה שער ייחודי. בעקבות המאמצים האחרונים להפחית אי סדר במבנה המולקולרי של גרפן דו-שכבתי, הצוות של סטמפפר הגיע כעת לאבן דרך חדשה בקו המחקר הזה.

כוונון שער

"בשנת 2018, גישה זו אפשרה לראשונה לנצל את הפער הייחודי המושרה בשדה חשמלי בגרפן דו-שכבתי כדי להגביל נושא מטען בודד", מסביר סטמפפר. "על ידי שיפור נוסף בכוונון השער, ניתן כעת לייצר התקני נקודות קוונטיות מעבר למה שניתן לעשות בחומרי נקודה קוונטית כולל סיליקון, גרמניום או גליום ארסניד."

יתרון מרכזי של מבנים דו-שכבתיים הם המאפיינים של מצבי ספין של האלקטרונים והחורים של הנקודה הקוונטית. באמצעות הניסויים שלהם, הצוות גילה שמצבי האלקטרונים והחורים הבודדים באחת משכבות הגרפן משתקפים כמעט בצורה מושלמת בזוג שנמצא בשכבה השנייה.

"אנחנו מראים שלנקודות קוונטיות כפולות גרפן דו-שכבתי אלקטרונים-חור יש סימטריה כמעט מושלמת של חלקיקים-חור", ממשיך סטמפפר. "זה מאפשר להעביר דרך יצירה והשמדה של זוגות אלקטרונים-חור בודדים עם מספרים קוונטיים מנוגדים."

גרפן דו-שכבתי באיכות גבוהה הולך וגדל

לתוצאות אלו עשויות להיות השלכות חשובות על מערכות מחשוב קוונטי המשתמשות בקיוביטים של ספין אלקטרונים. הסיבה לכך היא שאמור להיות אפשרי לחבר קיוביטים כאלה יחד למרחקים ארוכים יותר, תוך קריאת מצבי הספין הסימטריים שלהם בצורה אמינה יותר. זה יכול בסופו של דבר לאפשר למחשבים קוונטיים להפוך הרבה יותר להרחבה, מתוחכמים ועמידים בפני שגיאות מאשר עיצובים קיימים.

הצוות של סטמפפר גם צופה יישומים אפשריים רבים מעבר למחשוב קוונטי. חיזוי כיצד נקודות קוונטיות גרפן דו-שכבתיות יכולות לספק בסיס לגלאים ננומטריים עבור גלי טרה-הרץ, ואף יכלו להיות מחוברות למוליכי-על כדי ליצור מקורות יעילים של זוגות סבוכים של חלקיקים.

באמצעות המחקר העתידי שלהם, החוקרים ישאפו כעת להעמיק ביכולות של נקודות קוונטיות גרפן דו-שכבתיות; עשוי להביא את היישום הנרחב שלהם בטכנולוגיות קוונטיות צעד אחד קרוב יותר.

המחקר מתואר ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• EVM Finance. ממשק מאוחד למימון מבוזר. גישה כאן.
• Quantum Media Group. IR/PR מוגבר. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/