Simetrija elektron-luknja v kvantnih pikah obeta kvantno računalništvo – Physics World

V kvantnih pikah, izdelanih iz dvoslojnega grafena, so opazili več edinstvenih pojavov, ki bi lahko koristili kvantnemu računalništvu. Raziskavo sta opravila Christoph Stampfer na univerzi RWTH Aachen in sodelavci v Nemčiji in na Japonskem, ki so pokazali, kako lahko struktura gosti elektron v eni plasti in luknjo v drugi. Še več, kvantni spinski stanji teh dveh entitet sta skoraj popolna zrcala druga druge.

Kvantna pika je majhen kos polprevodnika z elektronskimi lastnostmi, ki so bolj podobne atomu kot razsutemu materialu. Na primer, elektron v kvantni piki je vzburjen v vrsto kvantiziranih energijskih nivojev – podobno kot v atomu. To je za razliko od običajne trdne snovi, v kateri so elektroni vzbujeni v prevodni pas. To obnašanje, podobno atomu, je mogoče natančno prilagoditi s prilagajanjem velikosti in oblike kvantne pike.

Kvantno piko je mogoče izdelati z majhnimi koščki grafena, ki je list ogljika, debel le en atom. Takšne kvantne pike so lahko izdelane iz samo ene plošče grafena, dveh plošč (dvoslojni grafen) ali več.

Zanimivi spin kubiti

Ena obetavna uporaba grafenskih kvantnih pik je ustvarjanje kvantnih bitov (kubitov), ​​ki shranjujejo kvantne informacije v spinskih stanjih elektronov. Kot pojasnjuje Stampfer, ima razvoj grafenskih kvantnih pik pomembne posledice za razvoj kvantnih računalnikov. "Kvantne pike grafena, ki so bile prvič prepoznane leta 2007, so se izkazale kot zanimivi gostitelji za spin kubite, ki lahko uporabljajo kvantne pike elektronov in lukenj za olajšanje sklopitve na dolge razdalje," pravi. Luknje so delcem podobne entitete, ki nastanejo v polprevodnikih, ko je elektron vzbujen. "Ta preboj je postavil temelje za obetavno kvantno računalniško platformo, ki temelji na polprevodniških spin kubitih," dodaja.

Zdaj so Stampfer in njegovi sodelavci idejo še pospešili z izdelavo kvantnih pik iz dvoslojnega grafena. Tukaj vsaka grafenska plast deluje kot posamezna kvantna pika, vendar tesno sodeluje s svojo dvojnico v drugi plasti.

Dvoslojni grafen lahko ujame elektrone in luknje, ko se preko njih uporabi zunanja napetost – ustvarja edinstveno strukturo vrat. Po nedavnih prizadevanjih za zmanjšanje nereda v molekularni strukturi dvoslojnega grafena je Stampferjeva ekipa zdaj dosegla nov mejnik v tej smeri raziskav.

Nastavljivost vrat

"Leta 2018 je ta pristop prvič omogočil popolno uporabo edinstvene pasovne vrzeli, ki jo povzroči električno polje, v dvoslojnem grafenu za omejitev enega samega nosilca naboja," pojasnjuje Stampfer. "Z nadaljnjim izboljšanjem nastavljivosti vrat je zdaj mogoče izdelati naprave s kvantnimi pikami, ki presegajo tisto, kar je mogoče narediti v materialih s kvantnimi pikami, vključno s silicijem, germanijem ali galijevim arzenidom."

Ključna prednost dvoslojnih struktur so lastnosti spinskih stanj elektronov in lukenj kvantne pike. S svojimi poskusi je ekipa odkrila, da se stanja posameznih elektronov in lukenj v eni od plasti grafena skoraj popolnoma zrcalijo v paru, ki ga najdemo v drugi plasti.

»Pokažemo, da imajo dvoslojne grafenske dvojne kvantne pike elektron-luknja skoraj popolno simetrijo delec-luknja,« nadaljuje Stampfer. "To omogoča transport z ustvarjanjem in uničenjem posameznih parov elektron-luknja z nasprotnimi kvantnimi številkami."

Visokokakovosten dvoslojni grafen je velik

Ti rezultati bi lahko imeli pomembne posledice za kvantne računalniške sisteme, ki uporabljajo kubite z vrtenjem elektronov. To je zato, ker bi moralo biti mogoče takšne kubite združiti skupaj na daljših razdaljah, pri tem pa bolj zanesljivo odčitati njihova vrtilno simetrična stanja. To bi lahko na koncu omogočilo kvantnim računalnikom, da postanejo veliko bolj razširljivi, sofisticirani in odporni na napake kot obstoječi modeli.

Stampferjeva ekipa predvideva tudi številne možne aplikacije, ki presegajo kvantno računalništvo. napovedovanje, kako bi dvoslojne grafenske kvantne pike lahko zagotovile osnovo za detektorje v nanometrskem merilu za teraherčne valove in bi jih lahko celo povezali s superprevodniki, da bi ustvarili učinkovite vire zapletenih parov delcev.

S svojimi prihodnjimi raziskavami si bodo raziskovalci zdaj prizadevali poglobiti se v zmogljivosti dvoslojnih grafenskih kvantnih pik; potencialno približali njihovo široko uporabo v kvantnih tehnologijah.

Raziskava je opisana v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• EVM Finance. Poenoten vmesnik za decentralizirane finance. Dostopite tukaj.
• Quantum Media Group. IR/PR ojačan. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Podatkovna inteligenca Web3. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/