Symetria elektron-dziura w kropkach kwantowych jest obiecująca dla komputerów kwantowych – Physics World

W kropkach kwantowych wykonanych z dwuwarstwowego grafenu zaobserwowano kilka unikalnych zjawisk, które mogą przynieść korzyści obliczeniom kwantowym. Badania wykonał o Krzysztof Stamfer z RWTH Aachen University i współpracownikami z Niemiec i Japonii, którzy pokazali, w jaki sposób struktura może pomieścić elektron w jednej warstwie i dziurę w drugiej. Co więcej, kwantowe stany spinowe tych dwóch bytów są niemal idealnymi wzajemnymi zwierciadłami.

Kropka kwantowa to maleńki kawałek półprzewodnika o właściwościach elektronicznych, które bardziej przypominają atom niż materiał masowy. Na przykład elektron w kropce kwantowej jest wzbudzany do serii skwantowanych poziomów energii – podobnie jak w atomie. Jest to odmienne od konwencjonalnego ciała stałego, w którym elektrony są wzbudzane w paśmie przewodnictwa. To zachowanie podobne do atomu można precyzyjnie dostroić, dostosowując rozmiar i kształt kropki kwantowej.

Kropkę kwantową można wytworzyć przy użyciu maleńkich kawałków grafenu, który jest arkuszem węgla o grubości zaledwie jednego atomu. Takie kropki kwantowe mogą być wykonane z jednego arkusza grafenu, dwóch arkuszy (grafen dwuwarstwowy) lub więcej.

Ciekawe kubity spinowe

Jednym z obiecujących zastosowań kropek kwantowych grafenu jest tworzenie bitów kwantowych (kubitów), które przechowują informacje kwantowe w stanach spinowych elektronów. Jak wyjaśnia Stampfer, rozwój kropek kwantowych grafenu ma istotne implikacje dla rozwoju komputerów kwantowych. „Kropki kwantowe grafenu, po raz pierwszy rozpoznane w 2007 r., okazały się interesującymi gospodarzami kubitów spinowych, które mogą wykorzystywać zarówno kropki kwantowe elektronowe, jak i dziurowe, aby ułatwić sprzężenie dalekiego zasięgu” – mówi. Dziury to cząsteczki podobne do cząstek, które powstają w półprzewodnikach, gdy elektron jest wzbudzany. „Ten przełom położył podwaliny pod obiecującą platformę obliczeń kwantowych opartą na półprzewodnikowych kubitach spinowych” – dodaje.

Teraz Stampfer i współpracownicy posunęli ten pomysł dalej, wytwarzając kropki kwantowe z dwuwarstwowego grafenu. Tutaj każda warstwa grafenu działa jak pojedyncza kropka kwantowa, ale ściśle oddziałuje ze swoim odpowiednikiem w drugiej warstwie.

Grafen dwuwarstwowy może wychwytywać elektrony i dziury, gdy przykłada się do nich zewnętrzne napięcie – tworząc unikalną strukturę bramki. Po niedawnych wysiłkach zmierzających do zmniejszenia nieporządku w strukturze molekularnej dwuwarstwowego grafenu, zespół Stampfera osiągnął teraz nowy kamień milowy w tej linii badań.

Przestrajalność bramki

„W 2018 roku to podejście po raz pierwszy umożliwiło pełne wykorzystanie unikalnego pasma wzbronionego indukowanego polem elektrycznym w grafenie dwuwarstwowym w celu ograniczenia pojedynczego nośnika ładunku”, wyjaśnia Stampfer. „Dzięki dalszemu ulepszaniu przestrajania bramek możliwe jest teraz tworzenie urządzeń z kropkami kwantowymi, które wykraczają poza to, co można zrobić z materiałów z kropek kwantowych, w tym krzemu, germanu lub arsenku galu”.

Kluczową zaletą struktur dwuwarstwowych są właściwości stanów spinowych elektronów i dziur kropek kwantowych. Dzięki swoim eksperymentom zespół odkrył, że stany poszczególnych elektronów i dziur w jednej z warstw grafenu są prawie idealnie odzwierciedlone w parze znajdującej się w drugiej warstwie.

„Pokazujemy, że dwuwarstwowe grafenowe podwójne kropki kwantowe z dziurami i elektronami mają niemal idealną symetrię cząstka-dziura” — kontynuuje Stampfer. „Pozwala to na transport poprzez tworzenie i anihilację pojedynczych par elektron-dziura o przeciwnych liczbach kwantowych”.

Wysokiej jakości dwuwarstwowy grafen jest duży

Wyniki te mogą mieć ważne implikacje dla kwantowych systemów obliczeniowych, które wykorzystują kubity ze spinem elektronowym. Dzieje się tak dlatego, że powinno być możliwe łączenie takich kubitów na większe odległości, przy jednoczesnym bardziej niezawodnym odczytywaniu ich stanów symetryczności spinowej. Może to ostatecznie sprawić, że komputery kwantowe staną się znacznie bardziej skalowalne, wyrafinowane i odporne na błędy niż istniejące projekty.

Zespół Stampfera przewiduje również wiele możliwych zastosowań wykraczających poza obliczenia kwantowe. przewidywanie, w jaki sposób dwuwarstwowe kropki kwantowe grafenu mogą stanowić podstawę dla nanoskalowych detektorów fal terahercowych, a nawet mogą być sprzężone z nadprzewodnikami w celu stworzenia wydajnych źródeł splątanych par cząstek.

Poprzez swoje przyszłe badania naukowcy będą teraz dążyć do głębszego zbadania możliwości dwuwarstwowych kropek kwantowych grafenu; potencjalnie przybliżając ich szerokie zastosowanie w technologiach kwantowych o krok.

Badania opisano w Natura.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• EVM Finanse. Ujednolicony interfejs dla zdecentralizowanych finansów. Dostęp tutaj.
• Quantum Media Group. Wzmocnienie IR/PR. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Analiza danych Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/