Forskere finder bevis på langlivede daltilstande i tolags grafen kvanteprikker

Inden for kvanteberegning er spørgsmålet om hvilket fysisk system og hvilke frihedsgrader inden for det system der kan bruges til at kode kvantebits af information - kort sagt qubits - kernen i mange forskningsprojekter, der udføres i fysik- og ingeniørlaboratorier.

Superledende qubits, spin-qubits og qubits kodet i bevægelsen af ​​fangede ioner er allerede bredt anerkendt som primære kandidater til fremtidige praktiske anvendelser af kvantecomputere; andre systemer skal forstås bedre og dermed tilbyde et stimulerende grundlag for grundlæggende undersøgelser.

Rebekka Garreis, Chuyao Tong, Wister Huang og deres kolleger i gruppen af ​​professorer Klaus Ensslin og Thomas Ihn fra Institut for Fysik ved ETH Zürich har undersøgt kvanteprikker med dobbeltlagsgrafen (BLG), kendt som en potentiel platform for spin-qubits , for at finde ud af, om en anden grad af frihed af BLG kan bruges til at kode kvanteinformation.

Deres seneste resultater er netop offentliggjort i Nature Physics med samarbejdspartnere fra National Institute for Materials Science i Japan, viser, at den såkaldte dalfrihedsgrad i BLG er forbundet med kvantetilstande, der er ekstremt langlivede og derfor er værd at overveje yderligere som en ekstra ressource til faststofkvante. computer.

Det hele er i gitterstrukturen

Grafen er et todimensionelt materiale givet af et enkelt lag af carbonatomer bundet i en sekskantet gitterstruktur. Dens ark-lignende udseende er bedragerisk, da grafen er blandt de stærkeste materialer på Jorden; dets mekaniske og elektroniske egenskaber er af stor interesse for mange industrisektorer.

I tolagsgrafen, det system, som forskerne bruger, ligger to plader af kulstofatomer oven på hinanden. Både grafen og BLG er semimetaller, da de mangler det karakteristiske energibåndgab, der findes i halvledere og især isolatorer. Ikke desto mindre kan et afstembart båndgab konstrueres i BLG ved at påføre et elektrisk felt vinkelret på pladernes plan.

Det er nødvendigt at åbne et båndgab for at bruge BLG som værtsmateriale til kvanteprikker, som er 'kasser' i nanometerskala, der er i stand til at begrænse enkelte eller få elektroner. Normalt fremstillet i halvlederværtsmaterialer giver kvanteprikker fremragende kontrol over individuelle elektroner. Af denne grund er de en vigtig platform for spin-qubits, systemer hvor kvanteinformation er kodet i elektronspin-frihedsgraden.

Fordi kvanteinformation er meget mere tilbøjelig til at blive korrumperet - og derfor bliver uegnet til beregningsopgaver - af det omgivende miljø end dens klassiske modstykke, skal forskere, der studerer forskellige qubit-kandidater karakterisere deres kohærensegenskaber:disse fortæller dem, hvor godt og hvor længe kvante information kan overleve i deres qubit-system.

I de fleste traditionelle kvanteprikker kan elektronspin-dekohærens være forårsaget af spin-orbit-interaktionen, som introducerer en uønsket kobling mellem elektronspin og vibrationerne i værtsgitteret og den hyperfine interaktion mellem elektronspin og de omgivende nukleare spins.

I grafen såvel som i andre kulstofbaserede materialer er spin-orbit-kobling og hyperfin interaktion begge svage:Dette gør grafen-kvanteprikker særligt attraktive for spin-qubits. Resultaterne rapporteret af Garreis, Tong og medforfattere tilføjer endnu en lovende facet til billedet.

Det sekskantede gitter af BLG kan afbildes med specifikke mikroskopiteknikker.

Den sekskantede symmetri observeret i dette såkaldte reelle rum er også til stede i momentum rummet, hvor hjørnerne af gitteret ikke svarer til de rumlige placeringer af carbonatomer, men til værdier af momentum forbundet med de frie elektroner på gitteret. I momentumrummet findes frie elektroner i energilandskabets lokale minima og maksima, nemlig på punkter, hvor lednings- og valensbåndene mødes.

Disse energiekstremaer kaldes dale. I BLG dikterer den hexagonale symmetri eksistensen af ​​to degenererede energidale (det vil sige karakteriseret ved den samme elektronenergi) svarende til modsatte elektronmomentumværdier. Denne dalfrihedsgrad kan behandles stort set på samme måde som elektronspin i BLG – dale i grafen kaldes almindeligvis pseudo-spin.

Mens daltilstande i tolagsgrafen var kendt før, forblev deres egnethed som praktiske qubits uklar indtil nu.

Der er meget løfte i dalen

Garreis, Tong og kolleger betragtede en dobbelt kvanteprik - det vil sige to prikker med afstembar kobling - i BLG og målte afslapningstiden for dal- og spintilstande. Afslapningstiden bestemmer den tidsmæssige skala, over hvilken systemet foretager en overgang fra en dal- eller spintilstand til en anden og som et resultat af afslapningsprocessen mister sin energi og bliver uegnet til yderligere qubit-operationer.

Forskerholdet finder, at dalstater har afslapningstider, der overstiger et halvt sekund, et resultat, der peger på lovende sammenhængsegenskaber for fremtidige dal-qubits.

Spinrelaksationstidsmålingen i BLG dobbeltkvanteprikken giver en værdi under 25 ms, hvilket er meget kortere end afslapningstiden for daltilstande, men er i god overensstemmelse med spinrelaksationstider målt i halvlederkvanteprikker. Det er vigtigt, at begge værdier er acceptable for qubit-manipulation og udlæsning af høj kvalitet.

I papiret fremhæver forskerne også aspekter, der kræver yderligere eksperimentel og teoretisk undersøgelse. De præsenterer data, der viser afhængigheden af ​​afslapningstiderne for spin- og daltilstande af to parametre, der forventes at spille en rolle i staternes afslapningsdynamik.

En parameter er energiafstemningen:dette er energiforskellen mellem grundtilstandene for to forskellige konfigurationer for det dobbelte kvantepunkt. Variering af afstemningen betyder at handle på energiforskellen mellem de tilstande, der er involveret i afspændingsprocessen. Den anden parameter er kendt som inter-dot coupling og bestemmer, hvor let en elektron i en kvanteprik kan 'trænge' ind i den anden prik's territorium.

Forfatterne rapporterer adfærd, der ikke kan forklares gennem de mekanismer, der normalt er på spil i kvanteprik-spin-qubits. Afslapningstiden er vist at stige med højere energiafstemning, hvilket ikke svarer til observationer i andre systemer. Det er bemærkelsesværdigt, at variation af inter-dot-koblingen efterlader dalens afslapningstiden upåvirket.

Det er klart, at der er behov for en mere fuldstændig forståelse af de mekanismer, der påvirker dal- og spinrelaksationstider, for at identificere, hvilke variabler der kan fungere bedst til at manipulere fremtidige dal-qubits. I mellemtiden argumenterer resultaterne præsenteret af Garreis, Tong og samarbejdspartnere for at tilføje daltilstande i BLG-kvanteprikker til landskabet af solid-state kvantecomputere.

Flere oplysninger: Rebekka Garreis et al., Langlivede daltilstande i tolags grafen kvanteprikker, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02334-7

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af ETH Zürich