양자점의 전자-정공 대칭은 양자 컴퓨팅의 가능성을 보여줍니다.

양자점의 전자-정공 대칭은 양자 컴퓨팅의 가능성을 보여줍니다.

타임 스탬프 : 11 년 2023 월 10 일 31:XNUMX AM

그래핀 이중층 양자점
이제 양면: 전자와 정공이 다른 층에 있는 전자-정공 대칭 이중 양자점을 가진 이중층 그래핀에 대한 예술가의 인상. (제공: Sebastian Staacks)

이중층 그래핀으로 만든 양자점에서 양자 컴퓨팅에 도움이 될 수 있는 몇 가지 고유한 현상이 관찰되었습니다. 연구는 크리스토프 스탬퍼 독일과 일본의 RWTH Aachen 대학과 동료들은 구조가 한 층에 전자를 호스트하고 다른 층에 정공을 호스트할 수 있는 방법을 보여주었습니다. 게다가, 이 두 독립체의 양자 스핀 상태는 서로에 대해 거의 완벽한 거울입니다.

양자점은 벌크 물질보다 원자에 가까운 전자적 특성을 가진 작은 반도체 조각입니다. 예를 들어, 양자점의 전자는 원자에서처럼 일련의 양자화된 에너지 준위로 여기됩니다. 이것은 전자가 전도대로 여기되는 기존의 고체와는 다릅니다. 이 원자와 같은 동작은 양자점의 크기와 모양을 조정하여 미세 조정할 수 있습니다.

양자점은 원자 하나 두께의 탄소 시트인 그래핀의 작은 조각을 사용하여 만들 수 있습니다. 이러한 양자점은 그래핀 한 장, 두 장(이중층 그래핀) 또는 그 이상으로 만들 수 있습니다.

흥미로운 스핀 큐비트

그래핀 양자점의 유망한 응용 분야 중 하나는 전자의 스핀 상태에 양자 정보를 저장하는 양자 비트(큐비트)를 만드는 것입니다. 스탬퍼가 설명하듯이, 그래핀 양자점의 개발은 양자 컴퓨터 개발에 중요한 의미를 갖는다. "2007년에 처음 인식된 그래핀 양자점은 전자 및 정공 양자점을 모두 사용하여 장거리 결합을 용이하게 할 수 있는 스핀 큐비트의 흥미로운 호스트로 부상했습니다."라고 그는 말합니다. 정공은 전자가 여기될 때 반도체에서 생성되는 입자와 같은 개체입니다. "이 혁신은 솔리드 스테이트 스핀 큐비트를 기반으로 하는 유망한 양자 컴퓨팅 플랫폼의 토대를 마련했습니다."라고 그는 덧붙입니다.

이제 Stampfer와 동료들은 이중층 그래핀에서 양자점을 제작하여 아이디어를 더욱 발전시켰습니다. 여기에서 각 그래핀 층은 개별 양자점으로 기능하지만 다른 층의 대응물과 밀접하게 상호 작용합니다.

이중층 그래핀은 외부 전압이 가해질 때 전자와 정공을 가두어 고유한 게이트 구조를 생성할 수 있습니다. 이중층 그래핀의 분자 구조에서 장애를 줄이기 위한 최근의 노력에 따라 Stampfer 팀은 이제 이 연구 라인에서 새로운 이정표에 도달했습니다.

게이트 조정 가능성

"2018년에 이 접근 방식은 단일 전하 캐리어를 제한하기 위해 이중층 그래핀에서 고유한 전기장 유도 밴드 갭을 완전히 활용하는 것을 처음으로 가능하게 했습니다."라고 Stampfer는 설명합니다. "게이트 조정 가능성을 더욱 개선함으로써 이제 실리콘, 게르마늄 또는 갈륨 비소를 포함한 양자점 재료에서 수행할 수 있는 것 이상으로 양자점 장치를 만드는 것이 가능합니다."

이중층 구조의 주요 이점은 양자점의 전자와 정공의 스핀 상태 특성입니다. 그들의 실험을 통해 연구팀은 그래핀 층 중 하나에 있는 개별 전자와 정공의 상태가 다른 층에서 발견된 쌍에 거의 완벽하게 반영된다는 것을 발견했습니다.

"우리는 이중층 그래핀 전자-정공 이중 양자점이 거의 완벽한 입자-정공 대칭성을 가짐을 보여줍니다."라고 Stampfer는 계속합니다. "이것은 반대 양자수를 가진 단일 전자-정공 쌍의 생성 및 소멸을 통한 전송을 허용합니다."

이러한 결과는 전자 스핀 큐비트를 사용하는 양자 컴퓨팅 시스템에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 스핀 대칭 상태를 보다 안정적으로 판독하면서 더 먼 거리에서 이러한 큐비트를 함께 결합할 수 있어야 하기 때문입니다. 이를 통해 궁극적으로 양자 컴퓨터는 기존 설계보다 훨씬 더 확장 가능하고 정교하며 오류에 강해집니다.

Stampfer의 팀은 또한 양자 컴퓨팅을 넘어서는 많은 가능한 응용 프로그램을 구상합니다. 이중층 그래핀 양자점이 어떻게 테라헤르츠파에 대한 나노스케일 검출기의 기초를 제공하고 초전도체와 결합하여 얽힌 입자 쌍의 효율적인 소스를 생성할 수 있는지 예측합니다.

연구원들은 향후 연구를 통해 이중층 그래핀 양자점의 기능을 더 깊이 탐구하는 것을 목표로 할 것입니다. 잠재적으로 양자 기술에 대한 광범위한 응용 프로그램을 한 단계 더 가까이 가져올 수 있습니다.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 자연.

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