量子コンピューティングに利益をもたらす可能性のあるいくつかのユニークな現象が、二層グラフェンから作られた量子ドットで観察されています。 研究を行ったのは、 クリストフ・スタンファー アーヘン工科大学とドイツと日本の同僚らは、この構造がどのようにして一方の層に電子を保持し、もう一方の層に正孔を保持できるかを示しました。 さらに、これら XNUMX つの実体の量子スピン状態は、互いをほぼ完全に鏡映したものです。

量子ドットは、バルク材料というよりも原子に近い電子特性を備えた小さな半導体です。 たとえば、量子ドット内の電子は、原子内と同様に、一連の量子化されたエネルギーレベルに励起されます。 これは、電子が伝導帯に励起される従来の固体とは異なります。 この原子のような挙動は、量子ドットのサイズと形状を調整することで微調整できます。

量子ドットは、わずか原子 XNUMX 個の厚さの炭素シートであるグラフェンの小さな破片を使用して作成できます。 このような量子ドットは、XNUMX 枚のグラフェン シートだけ、または XNUMX 枚のシート (二層グラフェン) またはそれ以上で作ることができます。

興味深いスピン量子ビット

グラフェン量子ドットの有望な用途の 2007 つは、電子のスピン状態に量子情報を保存する量子ビット (量子ビット) を作成することです。 スタンファー氏が説明するように、グラフェン量子ドットの開発は量子コンピューターの開発に重要な意味を持っています。 「XNUMX年に初めて認識されたグラフェン量子ドットは、電子量子ドットと正孔量子ドットの両方を利用して長距離結合を促進できる、スピン量子ビットの興味深いホストとして浮上しました」と彼は言う。 正孔は、電子が励起されたときに半導体内に生成される粒子状の実体です。 「この画期的な進歩により、固体スピン量子ビットに基づく有望な量子コンピューティング プラットフォームの基礎が築かれました」と彼は付け加えました。

今回、Stampfer らは、二層グラフェンから量子ドットを作製することで、このアイデアをさらに推し進めました。 ここで、各グラフェン層は個別の量子ドットとして機能しますが、他の層の対応する部分と密接に相互作用します。

二層グラフェンは、外部電圧が印加されると電子と正孔をトラップし、独自のゲート構造を形成します。 二層グラフェンの分子構造の乱れを軽減する最近の取り組みに続き、スタンファー氏のチームはこの研究分野で新たなマイルストーンに到達した。

ゲートの調整可能性

「2018年、このアプローチにより、二層グラフェンの独特な電場誘起バンドギャップを最大限に利用して、単一の電荷キャリアを閉じ込めることが初めて可能になりました」とスタンファー氏は説明する。 「ゲートの調整性をさらに改善することで、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素などの量子ドット材料で実現できる量子ドットデバイスを超える量子ドットデバイスを製造できるようになりました。」

二層構造の主な利点は、量子ドットの電子と正孔のスピン状態の特性です。 研究チームは実験を通じて、一方のグラフェン層の個々の電子と正孔の状態が、もう一方の層にある電子と正孔のペアにほぼ完全に反映されていることを発見しました。

「我々は、二層グラフェンの電子-正孔二重量子ドットがほぼ完璧な粒子-正孔の対称性を持っていることを示しました」とスタンファー氏は続けます。 「これにより、反対の量子数を持つ単一の電子と正孔のペアの生成と消滅による輸送が可能になります。」

高品質な二層グラフェンが大型化

これらの結果は、電子スピン量子ビットを使用する量子コンピューティング システムにとって重要な意味を持つ可能性があります。 これは、スピン対称状態をより確実に読み出しながら、そのような量子ビットを長距離にわたって結合することが可能であるはずだからです。 これにより、最終的には量子コンピューターが既存の設計よりもはるかにスケーラブルで洗練され、エラーに耐性を持つようになる可能性があります。

スタンファー氏のチームは、量子コンピューティングを超えた多くの応用可能性も想定している。 二層グラフェン量子ドットがどのようにしてテラヘルツ波のナノスケール検出器の基礎を提供できるか、さらには超伝導体と結合して絡み合った粒子ペアの効率的なソースを作成できるかを予測している。

研究者らは今後の研究を通じて、二層グラフェン量子ドットの機能をさらに深く掘り下げることを目指している。 量子技術における広範な応用が一歩近づく可能性があります。

研究はで説明されています 自然.

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