Đối xứng lỗ electron trong chấm lượng tử hứa hẹn cho điện toán lượng tử – Physics World

Một số hiện tượng độc đáo có thể mang lại lợi ích cho điện toán lượng tử đã được quan sát thấy trong các chấm lượng tử làm từ graphene hai lớp. Nghiên cứu được thực hiện bởi Christoph Stampfer tại Đại học RWTH Aachen và các đồng nghiệp ở Đức và Nhật Bản, họ đã chỉ ra cách cấu trúc có thể chứa một electron ở một lớp và một lỗ trống ở lớp kia. Hơn nữa, trạng thái spin lượng tử của hai thực thể này gần như là những tấm gương phản chiếu hoàn hảo của nhau.

Chấm lượng tử là một miếng bán dẫn cực nhỏ có các đặc tính điện tử giống nguyên tử hơn là vật liệu khối. Ví dụ, một electron trong chấm lượng tử bị kích thích thành một loạt các mức năng lượng lượng tử hóa – giống như trong một nguyên tử. Điều này không giống với chất rắn thông thường, trong đó các electron bị kích thích vào vùng dẫn. Hành vi giống như nguyên tử này có thể được tinh chỉnh bằng cách điều chỉnh kích thước và hình dạng của chấm lượng tử.

Một chấm lượng tử có thể được tạo ra bằng cách sử dụng những mảnh graphene cực nhỏ, là một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử. Những chấm lượng tử như vậy có thể được tạo thành từ chỉ một tấm graphene, hai tấm (graphene hai lớp) hoặc nhiều hơn.

Qubit spin thú vị

Một ứng dụng hứa hẹn của chấm lượng tử graphene là tạo ra các bit lượng tử (qubit) lưu trữ thông tin lượng tử ở trạng thái spin của các electron. Như Stampfer giải thích, sự phát triển của chấm lượng tử graphene có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của máy tính lượng tử. Ông nói: “Các chấm lượng tử graphene, lần đầu tiên được công nhận vào năm 2007, đã nổi lên như những vật chủ thú vị cho các qubit spin, có thể sử dụng cả các chấm lượng tử electron và lỗ trống để tạo điều kiện cho sự ghép nối tầm xa. Lỗ trống là những thực thể giống như hạt được tạo ra trong chất bán dẫn khi một electron bị kích thích. Ông nói thêm: “Bước đột phá này đã đặt nền móng cho một nền tảng điện toán lượng tử đầy hứa hẹn dựa trên các qubit spin ở trạng thái rắn.

Giờ đây, Stampfer và các đồng nghiệp đã thúc đẩy ý tưởng này đi xa hơn bằng cách chế tạo các chấm lượng tử từ graphene hai lớp. Ở đây, mỗi lớp graphene hoạt động như một chấm lượng tử riêng lẻ, nhưng tương tác chặt chẽ với đối tác của nó trong lớp kia.

Graphene hai lớp có thể bẫy các electron và lỗ trống khi đặt một điện áp bên ngoài lên chúng – tạo ra một cấu trúc cổng độc đáo. Sau những nỗ lực gần đây nhằm giảm bớt sự rối loạn trong cấu trúc phân tử của graphene lớp kép, nhóm của Stampfer hiện đã đạt được một cột mốc quan trọng mới trong lĩnh vực nghiên cứu này.

khả năng điều chỉnh cổng

Stampfer giải thích: “Vào năm 2018, phương pháp này lần đầu tiên cho phép sử dụng đầy đủ khoảng cách dải do điện trường gây ra duy nhất trong graphene hai lớp để giới hạn hạt mang điện đơn. “Bằng cách cải thiện hơn nữa khả năng điều chỉnh của cổng, giờ đây có thể tạo ra các thiết bị chấm lượng tử vượt xa những gì có thể làm được trong các vật liệu chấm lượng tử bao gồm silicon, germanium hoặc gallium arsenide.”

Một ưu điểm chính của cấu trúc lớp kép là các tính chất của trạng thái spin của các electron và lỗ trống của chấm lượng tử. Thông qua các thí nghiệm của họ, nhóm đã phát hiện ra rằng trạng thái của các electron và lỗ trống riêng lẻ ở một trong các lớp graphene được phản chiếu gần như hoàn hảo trong cặp được tìm thấy ở lớp kia.

“Chúng tôi chỉ ra rằng các chấm lượng tử kép lỗ electron-lỗ graphene hai lớp có sự đối xứng hạt-lỗ gần như hoàn hảo,” Stampfer tiếp tục. “Điều này cho phép vận chuyển thông qua việc tạo và hủy các cặp electron-lỗ trống đơn lẻ với các số lượng tử đối nghịch nhau.”

Graphene hai lớp chất lượng cao có kích thước lớn

Những kết quả này có thể có ý nghĩa quan trọng đối với các hệ thống máy tính lượng tử sử dụng qubit electron-spin. Điều này là do có thể ghép các qubit như vậy với nhau trên khoảng cách xa hơn, đồng thời đọc các trạng thái đối xứng spin của chúng một cách đáng tin cậy hơn. Điều này cuối cùng có thể cho phép các máy tính lượng tử trở nên có khả năng mở rộng, tinh vi hơn và có khả năng chống lỗi hơn nhiều so với các thiết kế hiện có.

Nhóm của Stampfer cũng hình dung ra nhiều ứng dụng khả thi ngoài điện toán lượng tử. dự đoán làm thế nào các chấm lượng tử graphene hai lớp có thể cung cấp cơ sở cho các máy dò kích thước nano cho sóng terahertz và thậm chí có thể được ghép nối với các chất siêu dẫn để tạo ra các nguồn cặp hạt vướng víu hiệu quả.

Thông qua nghiên cứu trong tương lai, các nhà nghiên cứu giờ đây sẽ hướng tới mục tiêu nghiên cứu sâu hơn về khả năng của các chấm lượng tử graphene hai lớp; có khả năng mang lại ứng dụng rộng rãi của chúng trong công nghệ lượng tử một bước gần hơn.

Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• EVM tài chính. Giao diện hợp nhất cho tài chính phi tập trung. Truy cập Tại đây.
• Tập đoàn truyền thông lượng tử. Khuếch đại IR/PR. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh dữ liệu Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/