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Nature | 用于未来量子位的完美对称石墨烯量子点,超越硅等其他半导体材料!

Nature | 用于未来量子位的完美对称石墨烯量子点,超越硅等其他半导体材料!

作者:
发布时间:
2023/05/10 09:34
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艺术家对双层石墨烯的印象,具有电子-空穴对称的双量子点,其中电子和空穴处于不同的层中。

来源:Sebastian Staacks

 

长期以来,硅或砷化镓等半导体中的量子点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材料。德国科学研究中心(Forschungszentrum j lich)和亚琛工业大学(RWTH Aachen University)的科学家们现在已经证明,双层石墨烯比其他材料更有价值。

 

他们创造的双量子点的特点是具有近乎完美的电子-空穴对称性,这允许一个强大的读出机制——这是量子计算的必要标准之一。研究结果发表在 Nature 上。

 

稳健的半导体自旋量子位的发展可能有助于未来实现大规模量子计算机。然而,当前基于量子点的量子位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。对于石墨烯,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。但是第一个量子位的实现还没有到来。

 

德国亚琛工业大学和尤利希研究中心的Christoph Stampfer教授解释说,双层石墨烯是一种独特的半导体。它与单层石墨烯共享几个特性,还具有其他一些特殊功能。这使得它对量子技术非常有趣。

 

其中一个特点是它具有带隙,可以通过外部电场从零调谐到大约120毫电子伏特。带隙可用于将电荷载流子限制在各个区域,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,即空穴——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的特征。

 

Christoph Stampfer说:“双层石墨烯仍然是一种相当新的材料。到目前为止,主要是用它进行了已经用其他半导体实现的实验。我们目前的实验首次超越了这一点”。他和他的同事创造了一个所谓的双量子点:两个相对的量子点,每个量子点包含一个电子和一个空穴,它们的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。

图片来源:Forschungszentrum jlich / Sascha Kreklau

 

应用范围广

 

“这种对称性有两个显著的后果:即使电子和空穴在不同的量子点中空间分离,它也几乎被完美地保留了下来,”Stampfer说。这种机制可以用于在更长的距离上将量子位耦合到其他量子位。更重要的是,“对称性导致了一个非常强大的阻断机制,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。

 

文献信息:

Banszerus, L., Möller, S., Hecker, K. et al. Particle–hole symmetry protects spin-valley blockade in graphene quantum dots. Nature (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05953-5

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