Inom kvantberäkning är frågan om vilket fysiskt system och vilka frihetsgrader inom det systemet som kan användas för att koda kvantbitar av information – kort sagt kvantbitar – kärnan i många forskningsprojekt som utförs i fysik- och ingenjörslaboratorier.
Supraledande qubits, spin qubits och qubits kodade i rörelsen av fångade joner är redan allmänt erkända som främsta kandidater för framtida praktiska tillämpningar av kvantdatorer; andra system behöver förstås bättre och därmed erbjuda en stimulerande grund för grundläggande undersökningar.
Rebekka Garreis, Chuyao Tong, Wister Huang och deras kollegor i gruppen av professorerna Klaus Ensslin och Thomas Ihn från institutionen för fysik vid ETH Zürich har undersökt kvantprickar av tvåskiktsgrafen (BLG), känd som en potentiell plattform för spin-qubits , för att ta reda på om en annan grad av frihet för BLG kan användas för att koda kvantinformation.
Deras senaste fynd, precis publicerade i Nature Physics med samarbetspartners från National Institute for Materials Science i Japan, visar att den så kallade dalfrihetsgraden i BLG är förknippad med kvanttillstånd som är extremt långlivade och därför är värda att överväga ytterligare som en extra resurs för fast tillståndskvantum datorer.
Grafen är ett tvådimensionellt material som ges av ett enda lager av kolatomer bundna i en hexagonal gitterstruktur. Dess arkliknande utseende är bedrägligt, eftersom grafen är bland de starkaste materialen på jorden; dess mekaniska och elektroniska egenskaper är av stort intresse för många industrisektorer.
I tvåskiktsgrafen, det system som forskarna använder, ligger två ark med kolatomer ovanpå varandra. Både grafen och BLG är halvmetaller, eftersom de saknar det karakteristiska energibandgapet som finns i halvledare och, framför allt, isolatorer. Icke desto mindre kan ett avstämbart bandgap konstrueras i BLG genom att applicera ett elektriskt fält vinkelrätt mot arkens plan.
Att öppna ett bandgap är nödvändigt för att använda BLG som ett värdmaterial för kvantprickar, som är "lådor" i nanometerskala som kan begränsa enstaka eller få elektroner. Vanligtvis tillverkade i halvledarvärdmaterial erbjuder kvantpunkter utmärkt kontroll över individuella elektroner. Av denna anledning är de en viktig plattform för spin qubits, system där kvantinformation kodas i elektronspin frihetsgraden.
Eftersom kvantinformation är mycket mer benägen att korrumperas – och därför blir olämplig för beräkningsuppgifter – av den omgivande miljön än dess klassiska motsvarighet, måste forskare som studerar olika qubit-kandidater karakterisera deras koherensegenskaper:dessa talar om för dem hur väl och hur länge kvantum. information kan överleva i deras qubit-system.
I de flesta traditionella kvantprickar kan elektronspindekoherens orsakas av spin-omloppsinteraktionen, vilket introducerar en oönskad koppling mellan elektronspinnet och vibrationerna i värdgittret och den hyperfina interaktionen mellan elektronspinnet och de omgivande kärnspinnerna.
I grafen såväl som i andra kolbaserade material är spin-omloppskoppling och hyperfin interaktion båda svaga:detta gör grafenkvantprickar särskilt tilltalande för spinnqubits. Resultaten som rapporterats av Garreis, Tong och medförfattare lägger till ytterligare en lovande aspekt till bilden.
Det hexagonala gittret hos BLG kan avbildas med specifika mikroskopitekniker.
Den hexagonala symmetrin som observeras i detta så kallade verkliga rymden finns också i rörelsemängdsrymden, där gittrets hörn inte motsvarar kolatomernas rumsliga placeringar utan rörelsemängdsvärdena som är associerade med de fria elektronerna på gittret. I momentumrymden finns fria elektroner i energilandskapets lokala minima och maxima, nämligen vid punkter där lednings- och valensbanden möts.
Dessa energiextrema kallas dalar. I BLG dikterar den hexagonala symmetrin förekomsten av två degenererade energidalar (det vill säga kännetecknade av samma elektronenergi) motsvarande motsatta elektronmomentumvärden. Denna dalfrihetsgrad kan behandlas på ungefär samma sätt som elektronspin i BLG – dalar i grafen kallas vanligtvis pseudo-spin.
Medan daltillstånd i tvåskiktsgrafen var kända tidigare, förblev deras lämplighet som praktiska qubits oklart fram till nu.
Garreis, Tong och medarbetare ansåg en dubbel kvantprick - det vill säga två prickar med inställbar koppling - i BLG och mätte avslappningstiden för dal- och spinntillstånd. Relaxationstiden ställer in den tidsskala över vilken systemet gör en övergång från ett dal- eller spinntillstånd till ett annat och, som ett resultat av relaxationsprocessen, förlorar sin energi och blir olämpligt för ytterligare qubit-operationer.
Forskargruppen finner att dalstater har avslappningstider som överstiger en halv sekund, ett resultat som pekar på lovande koherensegenskaper för framtida dalqubits.
Spinrelaxationstidsmätningen i BLG dubbelkvantpunkten ger ett värde under 25 ms, vilket är mycket kortare än relaxationstiden för daltillstånd men stämmer väl överens med spinrelaxationstider uppmätta i halvledarkvantprickar. Viktigt är att båda värdena är acceptabla för högkvalitativ qubit-manipulation och utläsning.
I artikeln lyfter forskarna också fram aspekter som kräver ytterligare experimentell och teoretisk undersökning. De presenterar data som visar beroendet av relaxationstiderna för spinn- och daltillstånd på två parametrar som förväntas spela en roll i staternas avslappningsdynamik.
En parameter är energiavstämningen:detta är energiskillnaden mellan grundtillstånden för två distinkta konfigurationer för den dubbla kvantpunkten. Att variera avstämningen innebär att man agerar på energiskillnaden mellan tillstånden som är involverade i avslappningsprocessen. Den andra parametern är känd som inter-dot coupling och bestämmer hur lätt en elektron i en kvantpunkt kan "träda in" i den andra punktens territorium.
Författarna rapporterar beteenden som inte kan förklaras genom de mekanismer som vanligtvis är på spel i kvantprickade spin-qubits. Avslappningstiden har visat sig öka med högre energiavstämning, vilket inte matchar observationer i andra system. Anmärkningsvärt är att variationen av kopplingen mellan punkterna lämnar avslappningstiden i dalen opåverkad.
Det är uppenbart att en mer fullständig förståelse av mekanismerna som påverkar dal- och spinrelaxationstider behövs för att identifiera vilka variabler som kan fungera bäst för att manipulera framtida dalqubits. Samtidigt gör resultaten som presenteras av Garreis, Tong och medarbetare argument för att lägga till daltillstånd i BLG-kvantprickar till landskapet av solid-state quantum computing.
Mer information: Rebekka Garreis et al, Långlivade daltillstånd i kvantprickar i tvåskiktsgrafen, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02334-7
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av ETH Zürich
