ความสมมาตรของรูอิเล็กตรอนในจุดควอนตัมแสดงให้เห็นถึงความหวังสำหรับการคำนวณด้วยควอนตัม – Physics World

ความสมมาตรของรูอิเล็กตรอนในจุดควอนตัมแสดงให้เห็นถึงความหวังสำหรับการคำนวณด้วยควอนตัม – Physics World

ประทับเวลา: 11 มิถุนายน 2023 10:31 น

จุดควอนตัมดอทของกราฟีน bilayer
ทั้งสองฝ่ายในขณะนี้: ความประทับใจของศิลปินเกี่ยวกับกราฟีนแบบสองชั้นที่มีจุดควอนตัมคู่แบบสมมาตรของรูอิเล็กตรอน โดยที่อิเล็กตรอนและรูอยู่ในชั้นที่ต่างกัน (ภาพโดย: เซบาสเตียน สแต็คส์)

ปรากฏการณ์พิเศษหลายประการที่อาจเป็นประโยชน์ต่อการคำนวณควอนตัมได้รับการสังเกตในจุดควอนตัมที่ทำจากกราฟีนแบบสองชั้น วิจัยโดย คริสตอฟ สแตมป์เฟอร์ ที่มหาวิทยาลัย RWTH Aachen และเพื่อนร่วมงานในเยอรมนีและญี่ปุ่น ซึ่งแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างนี้สามารถรองรับอิเล็กตรอนในชั้นหนึ่งและรูในอีกด้านหนึ่งได้อย่างไร ยิ่งไปกว่านั้น สถานะการหมุนควอนตัมของทั้งสองเอนทิตีนี้อยู่ใกล้กระจกที่สมบูรณ์แบบของกันและกัน

จุดควอนตัมเป็นชิ้นส่วนเล็กๆ ของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีลักษณะเหมือนอะตอมมากกว่าวัสดุที่เทกอง ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนในจุดควอนตัมจะตื่นเต้นกับชุดของระดับพลังงานเชิงปริมาณ ซึ่งเหมือนกับในอะตอม ซึ่งแตกต่างจากของแข็งทั่วไปที่อิเล็กตรอนถูกตื่นเต้นเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้า พฤติกรรมคล้ายอะตอมนี้สามารถปรับได้อย่างละเอียดโดยการปรับขนาดและรูปร่างของจุดควอนตัม

จุดควอนตัมสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้กราฟีนชิ้นเล็กๆ ซึ่งเป็นแผ่นคาร์บอนที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว จุดควอนตัมดังกล่าวสามารถสร้างขึ้นจากกราฟีนเพียงแผ่นเดียว สองแผ่น (กราฟีนสองชั้น) หรือมากกว่านั้น

สปินคิวบิตที่น่าสนใจ

การประยุกต์ใช้จุดควอนตัมกราฟีนที่มีแนวโน้มอย่างหนึ่งคือการสร้างบิตควอนตัม (qubits) ที่เก็บข้อมูลควอนตัมในสถานะการหมุนของอิเล็กตรอน ตามที่ Stampfer อธิบาย การพัฒนาจุดควอนตัมกราฟีนมีนัยสำคัญต่อการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม “จุดควอนตัมกราฟีนซึ่งเป็นที่รู้จักครั้งแรกในปี 2007 กลายเป็นโฮสต์ที่น่าสนใจสำหรับสปินคิวบิต ซึ่งสามารถใช้ทั้งจุดควอนตัมอิเล็กตรอนและรูเพื่ออำนวยความสะดวกในการมีเพศสัมพันธ์ในระยะยาว” เขากล่าว รูเป็นสิ่งที่มีลักษณะคล้ายอนุภาคซึ่งถูกสร้างขึ้นในเซมิคอนดักเตอร์เมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้น “ความก้าวหน้าครั้งนี้ได้วางรากฐานสำหรับแพลตฟอร์มคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีแนวโน้มดีบนพื้นฐานของโซลิดสเตตสปินคิวบิต” เขากล่าวเสริม

ตอนนี้ Stampfer และเพื่อนร่วมงานได้ผลักดันแนวคิดนี้ต่อไปโดยการสร้างจุดควอนตัมจากกราฟีนแบบสองชั้น ที่นี่ แต่ละชั้นกราฟีนทำหน้าที่เป็นจุดควอนตัมแต่ละจุด แต่มีปฏิสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับจุดคู่ในอีกชั้นหนึ่ง

กราฟีนแบบสองชั้นสามารถดักจับอิเล็กตรอนและรูเมื่อมีการใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกพาดผ่านอิเล็กตรอนและรูต่างๆ ทำให้เกิดโครงสร้างเกตที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว หลังจากความพยายามล่าสุดในการลดความผิดปกติในโครงสร้างโมเลกุลของกราฟีนแบบสองชั้น ทีมงานของ Stampfer ได้บรรลุเป้าหมายใหม่ในสายการวิจัยนี้

ความสามารถในการปรับแต่งประตู

“ในปี 2018 แนวทางนี้ทำให้สามารถใช้ช่องว่างของแถบความถี่ที่เกิดจากสนามไฟฟ้าในกราฟีนแบบสองชั้นได้อย่างเต็มที่ เพื่อจำกัดพาหะประจุเดี่ยว” Stampfer อธิบาย "ด้วยการปรับปรุงความสามารถในการปรับแต่งเกตเพิ่มเติม ขณะนี้เป็นไปได้ที่จะสร้างอุปกรณ์ควอนตัมดอทที่นอกเหนือไปจากสิ่งที่สามารถทำได้ในวัสดุควอนตัมดอท รวมถึงซิลิคอน เจอร์เมเนียม หรือแกลเลียมอาร์เซไนด์"

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของโครงสร้างสองชั้นคือคุณสมบัติของสถานะการหมุนของอิเล็กตรอนและรูของควอนตัมดอท จากการทดลอง ทีมงานค้นพบว่าสถานะของอิเล็กตรอนแต่ละตัวและรูในชั้นกราฟีนชั้นหนึ่งนั้นแทบจะสะท้อนให้เห็นในคู่ที่พบในอีกชั้นหนึ่งได้อย่างสมบูรณ์แบบ

“เราแสดงให้เห็นว่าจุดควอนตัมสองเท่าของกราฟีนอิเล็กตรอนแบบรูสองชั้นมีความสมมาตรของรูอนุภาคที่เกือบจะสมบูรณ์แบบ” Stampfer กล่าวต่อ “สิ่งนี้ช่วยให้สามารถขนส่งผ่านการสร้างและการทำลายล้างคู่อิเล็กตรอนรูเดียวที่มีเลขควอนตัมตรงข้ามกัน”

ผลลัพธ์เหล่านี้อาจมีนัยสำคัญต่อระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้คิวบิตอิเล็กตรอนหมุน นี่เป็นเพราะว่าควรจะเป็นไปได้ที่จะจับคู่คิวบิตดังกล่าวเข้าด้วยกันในระยะทางที่ไกลขึ้น ในขณะที่อ่านสถานะสมมาตรของการหมุนของพวกมันได้อย่างน่าเชื่อถือมากขึ้น ในที่สุดสิ่งนี้อาจทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถปรับขนาดได้ ซับซ้อน และทนทานต่อข้อผิดพลาดมากกว่าการออกแบบที่มีอยู่

ทีมงานของ Stampfer ยังจินตนาการถึงการใช้งานที่เป็นไปได้อีกมากมายนอกเหนือจากการประมวลผลควอนตัม ทำนายว่าจุดควอนตัมกราฟีนแบบสองชั้นสามารถเป็นพื้นฐานสำหรับเครื่องตรวจจับระดับนาโนสำหรับคลื่นเทอร์เฮิร์ตซ์ได้อย่างไร และยังสามารถใช้ร่วมกับตัวนำยิ่งยวดเพื่อสร้างแหล่งกำเนิดที่มีประสิทธิภาพของอนุภาคคู่ที่พันกันพันกัน

จากการวิจัยในอนาคต ขณะนี้นักวิจัยตั้งเป้าที่จะเจาะลึกถึงความสามารถของควอนตัมดอทกราฟีนแบบสองชั้น อาจทำให้การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีควอนตัมแพร่หลายมากขึ้นอีกขั้นหนึ่ง

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์