量子点中的电子空穴对称性显示出量子计算的前景——物理世界

在由双层石墨烯制成的量子点中观察到了几种可能有益于量子计算的独特现象。 这项研究是由 克里斯托夫·斯坦普弗 亚琛工业大学及其在德国和日本的同事，他们展示了该结构如何在一层容纳电子，在另一层容纳空穴。 更重要的是，这两个实体的量子自旋态几乎是彼此的完美镜像。

量子点是一小块半导体，其电子特性更像原子而不是大块材料。 例如，量子点中的电子被激发到一系列量子化能级——很像原子。 这与传统固体不同，在传统固体中，电子被激发到导带中。 这种类似原子的行为可以通过调整量子点的大小和形状来微调。

可以使用微小的石墨烯片制造量子点，石墨烯片是一片只有一个原子厚的碳。 这种量子点可以由一片石墨烯、两片（双层石墨烯）或更多片组成。

有趣的自旋量子比特

石墨烯量子点的一个有前途的应用是创建量子比特 (qubits)，将量子信息存储在电子的自旋态中。 正如 Stampfer 解释的那样，石墨烯量子点的发展对量子计算机的发展具有重要意义。 “石墨烯量子点于 2007 年首次得到认可，成为自旋量子位的有趣宿主，它可以同时使用电子和空穴量子点来促进长程耦合，”他说。 空穴是当电子被激发时在半导体中产生的粒子状实体。 “这一突破为基于固态自旋量子位的有前途的量子计算平台奠定了基础，”他补充道。

现在，Stampfer 及其同事通过用双层石墨烯制造量子点进一步推动了这一想法。 在这里，每个石墨烯层都充当一个单独的量子点，但与另一层中的对应物密切相互作用。

当在其上施加外部电压时，双层石墨烯可以捕获电子和空穴 - 形成独特的栅极结构。 随着最近为减少双层石墨烯分子结构的紊乱所做的努力，Stampfer 的团队现在在这方面的研究中达到了一个新的里程碑。

栅极可调性

“2018 年，这种方法首次使充分利用双层石墨烯中独特的电场感应带隙来限制单个载流子成为可能，”Stampfer 解释道。 “通过进一步提高栅极可调谐性，现在有可能制造出超越量子点材料（包括硅、锗或砷化镓）所能做到的量子点器件。”

双层结构的一个关键优势是量子点的电子和空穴的自旋态特性。 通过他们的实验，该团队发现其中一个石墨烯层中单个电子和空穴的状态几乎完全反映在另一层中的电子和空穴对中。

“我们表明，双层石墨烯电子空穴双量子点具有几乎完美的粒子空穴对称性，”Stampfer 继续说道。 “这允许通过具有相反量子数的单个电子-空穴对的产生和湮灭进行传输。”

高质量双层石墨烯变大

这些结果可能对使用电子自旋量子比特的量子计算系统具有重要意义。 这是因为应该可以在更长的距离上将此类量子位耦合在一起，同时更可靠地读出它们的自旋对称状态。 这最终可能使量子计算机变得比现有设计更具可扩展性、复杂性和抗错误性。

Stampfer 的团队还设想了许多超越量子计算的可能应用。 预测双层石墨烯量子点如何为太赫兹波的纳米级探测器提供基础，甚至可以与超导体耦合以产生纠缠粒子对的有效来源。

通过他们未来的研究，研究人员现在的目标是更深入地研究双层石墨烯量子点的能力； 有可能使它们在量子技术中的广泛应用更近一步。

该研究描述于 自然.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/electron-hole-symmetry-in-quantum-dots-shows-promise-for-quantum-computing/