用于未来量子位的对称石墨烯量子点来了
2023-05-10 09:48:49   来源： ()　   评论：0 点击：

半导体中的量子点，如硅或砷化镓，长期以来一直被认为是未来量子处理器中承载量子比特的热门候选者。Forschungszentrum Jülich和亚琛工业大学的科学家现在已经证明，双层石墨烯比其他材料提供更多。

他们创造的双量子点的特点是近乎完美的电子 - 空穴对称性，允许强大的读出机制 - 量子计算的必要标准之一。研究结果发表在《自然》杂志上。

鲁棒半导体自旋量子位的发展可以帮助未来实现大规模量子计算机。然而，目前基于量子点的量子比特系统仍处于起步阶段。2022 年，荷兰 QuTech 的研究人员首次能够创建 6 个硅基自旋量子位。有了石墨烯，还有很长的路要走。这种材料于2004年首次分离出来，对许多科学家极具吸引力。但第一个量子比特的实现尚未到来。

“双层石墨烯是一种独特的半导体，”Forschungszentrum Jülich和亚琛工业大学的Christoph Stampfer教授解释说。“它与单层石墨烯具有多种特性，并且还具有其他一些特殊功能。这使得量子技术非常有趣。

其中一个特点是它具有带隙，可以通过从零到大约 120 毫电子伏特的外部电场进行调谐。带隙可用于将电荷载流子限制在单个区域，即所谓的量子点。根据施加的电压，它们可以捕获单个电子或其对应物，一个空穴 - 基本上是固态结构中缺失的电子。使用相同的栅极结构来捕获电子和空穴的可能性是传统半导体中没有对应物的特征。

“双层石墨烯仍然是一种相当新的材料。到目前为止，主要是已经用其他半导体实现的实验是用它进行的。我们目前的实验现在第一次真正超越了这一点，“Christoph Stampfer说。他和他的同事们创造了一个所谓的双量子点：两个相对的量子点，每个量子点都有一个电子和一个空穴，其自旋特性几乎完美地相互镜像。

双量子点是在亥姆霍兹纳米工厂生产的，这是亥姆霍兹协会生产纳米结构和电路的核心技术平台。资料来源：尤利希研究中心/萨沙·克雷克劳

应用范围广

“这种对称性有两个显着的后果：即使电子和空穴在不同的量子点中空间分离，它也几乎完美地保存下来，”斯坦普弗说。此机制可用于将量子比特与较长距离的其他量子比特耦合。更重要的是，“对称性导致了一个非常强大的阻塞机制，可以用来高保真地读出点的自旋状态。

“这超出了传统半导体或任何其他二维电子系统所能做到的，”Forschungszentrum Jülich和亚琛工业大学JARA量子信息研究所的Fabian Hassler教授说。

“近乎完美的对称性和强大的选择规则不仅对操作量子比特非常有吸引力，而且对实现单粒子太赫兹探测器也非常有吸引力。此外，它还有助于将双层石墨烯的量子点与超导体耦合，在这两个系统中，电子 - 空穴对称性起着重要作用。这些混合系统可用于创建纠缠粒子对或人工拓扑系统的高效源，使我们离实现拓扑量子计算机更近了一步。

研究结果发表在《自然》杂志上。支持结果的数据和用于分析的代码可在Zenodo存储库中找到。