Stan Graphene Valley cieszy się długowiecznością

W informatyce kwantowej pytanie, który system fizyczny i jakie stopnie swobody w tym systemie można wykorzystać do zakodowania kwantowych bitów informacji – w skrócie kubitów – leży w centrum wielu projektów badawczych podejmowanych w fizyce i inżynierii. Laboratoria. Kubity nadprzewodzące, kubity spinowe i kubity zakodowane w ruchu uwięzionych jonów są już powszechnie uznawane za głównych kandydatów do przyszłych praktycznych zastosowań komputerów kwantowych; Należy lepiej zrozumieć inne systemy, aby w ten sposób zapewnić stymulującą podstawę do podstawowych badań.

Rebecca Garris, Chuyao Tong, Wester Huang i ich współpracownicy z grupy profesorów Klausa Ensslina i Thomasa Ehna z Wydziału Fizyki ETH w Zurychu badali dwuwarstwowe kropki kwantowe grafenu (BLG), znane jako potencjalna platforma dla kubitów spinowych. Sprawdzenie, czy możliwe jest wykorzystanie innego stopnia swobody BLG do kodowania informacji kwantowej. Ich najnowsze odkrycia, opublikowane właśnie w czasopiśmie Nature Physics we współpracy ze współpracownikami z Narodowego Instytutu Nauki o Materiałach w Japonii, pokazują, że tak zwany dolinowy stopień swobody w BLG jest powiązany z bardzo długowiecznymi stanami kwantowymi i dlatego zasługuje na dalsze badania, ponieważ dodatkowe źródło informacji na temat obliczeń kwantowych w półprzewodniku.

Wszystko jest w strukturze kratowej

Grafen to dwuwymiarowy materiał wytwarzany przez pojedynczą warstwę atomów węgla połączonych w sześciokątną strukturę sieciową. Jego papierowy wygląd jest mylący, ponieważ grafen jest jednym z najsilniejszych materiałów na Ziemi; Jego właściwości mechaniczne i elektroniczne cieszą się dużym zainteresowaniem w wielu gałęziach przemysłu. W dwuwarstwowym grafenie, stosowanym przez badaczy, dwa arkusze atomów węgla znajdują się jeden na drugim. Zarówno grafen, jak i BLG są półmetalami, którym brakuje charakterystycznej przerwy energetycznej występującej w półprzewodnikach, a zwłaszcza w izolatorach. Jednakże w BLG można zaprojektować przestrajalną przerwę wzbronioną, przykładając pole elektryczne prostopadłe do płaszczyzny arkuszy.

Otwarcie pasma wzbronionego jest niezbędne do wykorzystania BLG jako materiału macierzystego dla kropek kwantowych, które są „pudełkami” w skali nanometrowej, zdolnymi do wychwytywania pojedynczych lub kilku elektronów. Kropki kwantowe są zwykle wytwarzane w materiałach półprzewodnikowych i zapewniają doskonałą kontrolę nad pojedynczymi elektronami. Z tego powodu jest ważną platformą dla kubitów spinowych, czyli systemów, w których informacja kwantowa jest kodowana w stopniu swobody spinu elektronu.

Ponieważ informacja kwantowa jest bardziej podatna na zniekształcenie – a zatem nie nadaje się do zadań obliczeniowych – przez otaczające środowisko niż jej klasyczny odpowiednik, badacze badający różnych kandydatów na kubity muszą opisać ich właściwości koherencji: powiedzieć im, jak dobre i jak długie są kubity. Informacje mogą pozostać w ich systemie kubitowym. W większości klasycznych kropek kwantowych dekoherencja spinów elektronów może wystąpić w wyniku interakcji spin-orbita, która wprowadza niepożądane sprzężenie między spinem elektronu a drganiami sieci macierzystej oraz ultrasubtelną interakcję między spinem elektronu a otaczającymi spinami jądrowymi. W grafenie, a także w innych materiałach na bazie węgla, zarówno sprzężenie orbitalne, jak i oddziaływanie nadsubtelne są słabe: to sprawia, że ​​kropki kwantowe grafenu są szczególnie atrakcyjne dla kubitów spinowych. Wyniki przedstawione przez Jarrisa, Tonga i współpracowników dodają kolejny obiecujący aspekt do obrazu.

Sześciokątną siatkę BLG można zobrazować przy użyciu specjalnych technik mikroskopowych. Sześciokątna symetria obserwowana w tej tak zwanej przestrzeni rzeczywistej istnieje również w przestrzeni pędów, gdzie wierzchołki sieci odpowiadają nie przestrzennym położeniom atomów węgla, ale wartościom pędu związanym z wolnymi elektronami w siatce. W przestrzeni pędów wolne elektrony znajdują się w lokalnych minimach i maksimach krajobrazu energetycznego, czyli w punktach, w których spotykają się pasma przewodnictwa i walencyjne. Te maksymalne energie nazywane są dolinami. W BLG symetria heksagonalna narzuca obecność zdegenerowanych dolin energii (tj. charakteryzujących się tą samą energią elektronów) odpowiadających przeciwnym wartościom pędu elektronów. Ten dolinowy stopień swobody można traktować w taki sam sposób, jak spin elektronu w BLG – w rzeczywistości doliny w grafenie są powszechnie nazywane pseudospinami. Choć stany dolinowe w grafenie dwuwarstwowym były już znane, ich przydatność jako praktycznych kubitów do tej pory pozostawała niejasna.

W dolinie jest wiele nadziei

Jarris, Tong i współpracownicy przyjrzeli się podwójnej kropce kwantowej – to znaczy dwóm kropkom z przestrajalnym sprzężeniem – w BLG i zmierzyli czas relaksacji dla stanu doliny i spinu. Czas relaksacji określa skalę czasu, w której układ przechodzi z jednego stanu doliny lub spinu do drugiego i w wyniku procesu relaksacji traci energię i staje się nieodpowiedni do dalszych operacji na kubitach. Zespół badawczy odkrył, że czasy relaksacji stanów dolinowych przekraczają pół sekundy, co wskazuje na obiecujące właściwości koherencji przyszłych kubitów dolinowych. Pomiar czasu relaksacji spinu w podwójnej kropce kwantowej BLG daje wartość mniejszą niż 25 ms, która jest znacznie krótsza niż czas relaksacji w stanach dolinowych, ale dobrze zgadza się z czasami relaksacji spinu mierzonymi w kropkach kwantowych półprzewodników. Co ważne, obie wartości są akceptowalne dla wysokiej jakości przetwarzania i odczytów kubitów.

W artykule badacze zwracają także uwagę na aspekty wymagające dalszych badań empirycznych i teoretycznych. Przedstawiają dane pokazujące zależność czasów relaksacji stanów spinowych i dolinowych od dwóch parametrów, które mają odgrywać rolę w dynamice relaksacji stanów. Jednym z parametrów jest rozstrojenie energii, czyli różnica energii pomiędzy stanami podstawowymi dwóch różnych konfiguracji pary kropek kwantowych. Zmiana dekonwolucji oznacza pracę nad różnicą energii pomiędzy stanami biorącymi udział w procesie relaksacji. Drugi parametr nazywany jest sprzężeniem międzypunktowym i określa, jak łatwo elektron z jednej kropki kwantowej może „wtargnąć” do obszaru drugiej. Autorzy opisują zachowania, których nie można wytłumaczyć mechanizmami zwykle występującymi w kubitach kwantowych o spinie punktowym. Czas relaksacji wydaje się rosnąć wraz ze wzrostem energii detonacji, co nie jest zgodne z obserwacjami w innych układach. Uderzające jest to, że zmiana sprzężenia między punktami nie wpływa na czas relaksacji doliny.

Oczywiście potrzebne jest pełniejsze zrozumienie mechanizmów wpływających na relaksację doliny i czas wirowania, aby zidentyfikować zmienne, które mogą najlepiej sprawdzić się w manipulowaniu przyszłymi kubitami doliny. Tymczasem wyniki zaprezentowane przez Jarrisa, Tonga i ich współpracowników potwierdzają dodanie stanów dolinowych w kropkach kwantowych BLG do krajobrazu obliczeń kwantowych w stanie stałym.