Koblede kvanteprikker kan tilbyde en ny måde at gemme kvanteinformation på

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har for første gang skabt og afbildet et nyt par kvanteprikker - små øer af begrænset elektrisk ladning, der fungerer som interagerende kunstige atomer. Sådanne "koblede" kvanteprikker kunne tjene som en robust kvantebit, eller qubit, den grundlæggende informationsenhed for en kvantecomputer. I øvrigt, mønstrene for elektrisk ladning på øen kan ikke fuldt ud forklares af nuværende modeller for kvantefysik, giver mulighed for at undersøge rige nye fysiske fænomener i materialer.

I modsætning til en klassisk computer, som er afhængig af binære bits, der kun har en af ​​to faste værdier - "1" eller "0" - til at lagre hukommelse, en kvantecomputer vil lagre og behandle information i qubits, som samtidigt kan antage et væld af værdier. Derfor, de kunne præstere meget større, mere komplekse operationer end klassiske bits og har potentialet til at revolutionere databehandling.

Elektroner kredser om midten af ​​en enkelt kvanteprik på samme måde som de kredser om atomer. De ladede partikler kan kun optage specifikke tilladte energiniveauer. På hvert energiniveau, en elektron kan indtage en række mulige positioner i prikken, spore en bane, hvis form er bestemt af kvanteteoriens regler. Et par koblede kvanteprikker kan dele en elektron mellem dem, danner en qubit.

For at fremstille kvanteprikkerne, det NIST-ledede team, som omfattede forskere fra University of Maryland NanoCenter og National Institute for Materials Science i Japan, brugte den ultraskarpe spids af et scanning tunneling mikroskop (STM), som om det var en stylus af en Etch A Sketch. Holder spidsen over et ultrakoldt ark grafen (et enkelt lag kulstofatomer arrangeret i et bikagemønster), forskerne kortvarigt øgede spidsens spænding.

Det elektriske felt genereret af spændingsimpulsen trængte gennem grafenet ind i et underliggende lag af bornitrid, hvor det fjernede elektroner fra atomare urenheder i laget og skabte en ophobning af elektrisk ladning. Pileup'en samlede frit svævende elektroner i grafenen, begrænser dem til en lille energibrønd.

Men da holdet anvendte et magnetfelt på 4 til 8 tesla (ca. 400 til 800 gange styrken af ​​en lille stangmagnet), det ændrede dramatisk formen og fordelingen af ​​de baner, som elektronerne kunne optage. I stedet for en enkelt brønd, elektronerne befandt sig nu inden for to sæt koncentriske, tætsiddende ringe i den originale brønd adskilt af en lille tom skal. De to sæt ringe til elektronerne opførte sig nu, som om de var svagt koblede kvanteprikker.

Det er første gang, at forskere har undersøgt det indre af et koblet kvantepunktsystem så dybt, billeddannelse af fordelingen af ​​elektroner med atomopløsning (se illustration), bemærkede NIST medforfatter Daniel Walkup. For at tage billeder i høj opløsning og spektre af systemet, holdet udnyttede et særligt forhold mellem størrelsen af ​​en kvanteprik og afstanden mellem energiniveauerne optaget af de kredsende elektroner:Jo mindre prikken, jo større mellemrum, og jo lettere er det at skelne mellem tilstødende energiniveauer.

I en tidligere kvanteprikundersøgelse med grafen, holdet anvendte et mindre magnetfelt og fandt en struktur af ringe, ligner en bryllupskage, centreret om en enkelt kvanteprik, som er oprindelsen til de koncentriske kvanteprik ringe. Ved at bruge STM-spidsen til at konstruere prikker omkring halvdelen af ​​diameteren (100 nanometer) af prikker, som de tidligere havde undersøgt, det lykkedes forskerne at afsløre den fulde struktur af det koblede system.

Holdet, som inkluderede Walkup, Fereshte Ghahari, Christopher Gutiérrez og Joseph Stroscio på NIST og Maryland NanoCenter, beskriver sine resultater i dag i Fysisk gennemgang B .

Måden, hvorpå elektronerne er delt mellem de to koblede prikker, kan ikke forklares med accepterede modeller for kvantepunktsfysik, sagde Walkup. Dette puslespil kan være vigtigt at løse, hvis koblede kvanteprikker til sidst skal bruges som qubits i kvanteberegning, Stroscio bemærkede.