Електронно-діркова симетрія в квантових точках є перспективною для квантових обчислень – Physics World

Кілька унікальних явищ, які можуть принести користь квантовим обчисленням, спостерігаються в квантових точках, виготовлених із двошарового графену. Дослідження проводив Крістоф Штампфер в Аахенському університеті RWTH та його колеги з Німеччини та Японії, які показали, як структура може приймати електрон в одному шарі та дірку в іншому. Більше того, стани квантового спіну цих двох сутностей є майже ідеальними дзеркалами один одного.

Квантова точка — це крихітний шматочок напівпровідника з електронними властивостями, які більше схожі на атом, ніж на масивний матеріал. Наприклад, електрон у квантовій точці збуджується в ряд квантованих енергетичних рівнів – подібно до атома. Це не схоже на звичайне тверде тіло, в якому електрони збуджуються в зону провідності. Цю поведінку, схожу на атом, можна точно налаштувати, регулюючи розмір і форму квантової точки.

Квантова точка може бути створена за допомогою крихітних шматочків графену, який є листом вуглецю товщиною всього в один атом. Такі квантові точки можуть бути виготовлені лише з одного листа графену, двох листів (двошаровий графен) або більше.

Цікаві спінові кубіти

Одним із перспективних застосувань графенових квантових точок є створення квантових бітів (кубітів), які зберігають квантову інформацію про спінові стани електронів. Як пояснює Стампфер, розробка графенових квантових точок має важливі наслідки для розробки квантових комп’ютерів. «Графенові квантові точки, вперше визнані в 2007 році, виявилися цікавими хостами для спінових кубітів, які можуть використовувати як електронні, так і діркові квантові точки для сприяння зв’язку на великій відстані», — каже він. Дірки — це частинкоподібні утворення, які утворюються в напівпровідниках, коли збуджується електрон. «Цей прорив заклав основу для багатообіцяючої платформи квантових обчислень на основі твердотільних спінових кубітів», — додає він.

Тепер Стемпфер і його колеги просунули цю ідею далі, виготовивши квантові точки з двошарового графену. Тут кожен графеновий шар функціонує як окрема квантова точка, але тісно взаємодіє зі своїм аналогом в іншому шарі.

Двошаровий графен може захоплювати електрони та дірки, коли на них прикладається зовнішня напруга, створюючи унікальну структуру затвора. Після недавніх спроб зменшити безлад у молекулярній структурі двошарового графену команда Стампфера досягла нової віхи в цьому напрямку досліджень.

Настроюваність воріт

«У 2018 році цей підхід вперше дозволив повністю використовувати унікальну спричинену електричним полем заборонену зону в двошаровому графені для обмеження одного носія заряду», — пояснює Стампфер. «Завдяки подальшому вдосконаленню настроюваності затвора тепер можна створювати пристрої з квантовими точками, які виходять за рамки того, що можна зробити в матеріалах з квантовими точками, включаючи кремній, германій або арсенід галію».

Ключовою перевагою двошарових структур є властивості спінових станів електронів і дірок квантової точки. Завдяки своїм експериментам команда виявила, що стани окремих електронів і дірок в одному з графенових шарів майже ідеально віддзеркалюються в парі, знайденій в іншому шарі.

«Ми показуємо, що двошарові графенові електронно-діркові подвійні квантові точки мають майже ідеальну симетрію частинка-дірка», — продовжує Стампфер. «Це дозволяє здійснювати транспорт шляхом створення та анігіляції одиночних електронно-діркових пар із протилежними квантовими числами».

Високоякісний двошаровий графен стає великим

Ці результати можуть мати важливі наслідки для квантових обчислювальних систем, які використовують кубіти з електронним спіном. Це пов’язано з тим, що має бути можливість з’єднувати такі кубіти разом на більших відстанях, зчитуючи при цьому їхні спін-симетричні стани більш надійно. Зрештою це може дозволити квантовим комп’ютерам стати набагато більш масштабованими, складнішими та стійкішими до помилок, ніж існуючі конструкції.

Команда Стемпфера також передбачає багато можливих застосувань за межами квантових обчислень. передбачаючи, як двошарові графенові квантові точки можуть стати основою для нанорозмірних детекторів терагерцових хвиль і навіть можуть бути з’єднані з надпровідниками для створення ефективних джерел заплутаних пар частинок.

Завдяки своїм майбутнім дослідженням дослідники тепер прагнуть глибше вивчити можливості двошарових графенових квантових точок; потенційно наблизивши їх широке застосування в квантових технологіях.

Дослідження описано в природа.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• EVM Фінанси. Уніфікований інтерфейс для децентралізованих фінансів. Доступ тут.
• Quantum Media Group. ІЧ/ПР посилений. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/