Электронно-дырочная симметрия в квантовых точках открывает перспективы для квантовых вычислений

Несколько уникальных явлений, которые могут принести пользу квантовым вычислениям, наблюдались в квантовых точках, сделанных из двухслойного графена. Исследование было проведено Кристоф Штампфер из RWTH Ахенского университета и коллег из Германии и Японии, которые показали, как структура может содержать электрон в одном слое и дырку в другом. Более того, квантовые спиновые состояния этих двух сущностей почти идеально отражают друг друга.

Квантовая точка — это крошечный кусочек полупроводника с электронными свойствами, которые больше похожи на атом, чем на объемный материал. Например, электрон в квантовой точке переходит в серию квантованных энергетических уровней — так же, как в атоме. Это не похоже на обычное твердое тело, в котором электроны возбуждаются в зону проводимости. Это похожее на атом поведение можно точно настроить, регулируя размер и форму квантовой точки.

Квантовую точку можно сделать из крошечных кусочков графена, представляющего собой слой углерода толщиной всего в один атом. Такие квантовые точки могут быть сделаны всего из одного листа графена, двух листов (двухслойный графен) или более.

Интересные спиновые кубиты

Одно из многообещающих применений графеновых квантовых точек — создание квантовых битов (кубитов), которые хранят квантовую информацию в спиновых состояниях электронов. Как объясняет Штампфер, разработка графеновых квантовых точек имеет важное значение для разработки квантовых компьютеров. «Квантовые точки графена, впервые обнаруженные в 2007 году, стали интересными носителями для спиновых кубитов, которые могут использовать как электронные, так и дырочные квантовые точки для облегчения связи на больших расстояниях», — говорит он. Дырки — это частицеподобные объекты, которые создаются в полупроводниках при возбуждении электрона. «Этот прорыв заложил основу для многообещающей платформы квантовых вычислений на основе твердотельных спиновых кубитов», — добавляет он.

Теперь Штампфер и его коллеги продвинули эту идею дальше, изготовив квантовые точки из двухслойного графена. Здесь каждый слой графена функционирует как отдельная квантовая точка, но тесно взаимодействует со своим аналогом в другом слое.

Двухслойный графен может улавливать электроны и дырки при приложении к ним внешнего напряжения, создавая уникальную структуру затвора. После недавних усилий по уменьшению беспорядка в молекулярной структуре двухслойного графена команда Штампфера достигла новой вехи в этом направлении исследований.

Настраиваемость ворот

«В 2018 году этот подход впервые позволил полностью использовать уникальную ширину запрещенной зоны, индуцированную электрическим полем, в двухслойном графене для ограничения одиночных носителей заряда», — объясняет Штампфер. «Благодаря дальнейшему улучшению настраиваемости затвора теперь можно создавать устройства с квантовыми точками, которые выходят за рамки того, что можно сделать с материалами с квантовыми точками, включая кремний, германий или арсенид галлия».

Ключевым преимуществом двухслойных структур являются свойства спиновых состояний электронов и дырок квантовой точки. В ходе своих экспериментов команда обнаружила, что состояния отдельных электронов и дырок в одном из слоев графена почти идеально отражают состояние пары, обнаруженной в другом слое.

«Мы показываем, что двухслойные графеновые электронно-дырочные двойные квантовые точки обладают почти идеальной симметрией частица-дырка», — продолжает Штампфер. «Это позволяет транспортировать за счет создания и уничтожения одиночных электронно-дырочных пар с противоположными квантовыми числами».

Высококачественный двухслойный графен становится большим

Эти результаты могут иметь важные последствия для систем квантовых вычислений, использующих кубиты с электронным спином. Это связано с тем, что должна быть возможность соединять такие кубиты вместе на больших расстояниях, при этом более надежно считывая их спин-симметричные состояния. В конечном итоге это может позволить квантовым компьютерам стать гораздо более масштабируемыми, сложными и устойчивыми к ошибкам, чем существующие конструкции.

Команда Штампфера также рассматривает множество возможных приложений помимо квантовых вычислений. предсказание того, как двухслойные графеновые квантовые точки могут стать основой для наноразмерных детекторов терагерцовых волн и даже могут быть связаны со сверхпроводниками для создания эффективных источников запутанных пар частиц.

В рамках своих будущих исследований исследователи теперь будут стремиться глубже изучить возможности двухслойных графеновых квантовых точек; потенциально приближая их широкое применение в квантовых технологиях.

Исследование описано в природа.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ЭВМ Финанс. Единый интерфейс для децентрализованных финансов. Доступ здесь.
• Квантум Медиа Групп. ИК/PR усиление. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/