Bij kwantumcomputing vormt de vraag welk fysiek systeem en welke vrijheidsgraden binnen dat systeem kunnen worden gebruikt om kwantumbits informatie – kortom qubits – te coderen de kern van veel onderzoeksprojecten die worden uitgevoerd in natuurkundige en technische laboratoria.

Supergeleidende qubits, spin-qubits en qubits gecodeerd in de beweging van gevangen ionen worden al algemeen erkend als voornaamste kandidaten voor toekomstige praktische toepassingen van kwantumcomputers; andere systemen moeten beter worden begrepen en bieden zo een stimulerende basis voor fundamenteel onderzoek.

Rebekka Garreis, Chuyao Tong, Wister Huang en hun collega's in de groep van professoren Klaus Ensslin en Thomas Ihn van de afdeling Natuurkunde van de ETH Zürich hebben onderzoek gedaan naar dubbellaags grafeen (BLG) kwantumdots, bekend als een potentieel platform voor spinqubits , om erachter te komen of een andere vrijheidsgraad van BLG kan worden gebruikt om kwantuminformatie te coderen.

Hun nieuwste bevindingen, zojuist gepubliceerd in Nature Physics met medewerkers van het National Institute for Materials Science in Japan, laten zien dat de zogenaamde vallei-vrijheidsgraad in BLG geassocieerd is met kwantumtoestanden die een extreem lange levensduur hebben en dus de moeite waard zijn om verder te overwegen als een extra hulpbron voor kwantum in vaste toestand computergebruik.

Het zit allemaal in de roosterstructuur

Grafeen is een tweedimensionaal materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen gebonden in een hexagonale roosterstructuur. Het bladachtige uiterlijk is bedrieglijk, aangezien grafeen een van de sterkste materialen op aarde is; de mechanische en elektronische eigenschappen ervan zijn van groot belang voor veel industriële sectoren.

In dubbellaags grafeen, het systeem dat de onderzoekers gebruiken, liggen twee lagen koolstofatomen op elkaar. Zowel grafeen als BLG zijn halfmetalen, omdat ze de karakteristieke energiebandafstand missen die wordt aangetroffen in halfgeleiders en, met name, isolatoren. Niettemin kan in BLG een afstembare bandafstand worden ontwikkeld door een elektrisch veld loodrecht op het vlak van de platen aan te leggen.

Het openen van een bandkloof is nodig om BLG te gebruiken als gastheermateriaal voor kwantumstippen, dit zijn 'dozen' op nanometerschaal die enkele of enkele elektronen kunnen opsluiten. Kwantumdots worden meestal vervaardigd uit halfgeleidermateriaal en bieden uitstekende controle over individuele elektronen. Om deze reden zijn ze een belangrijk platform voor spinqubits, systemen waarbij kwantuminformatie wordt gecodeerd in de vrijheidsgraad van de elektronenspin.

Omdat kwantuminformatie veel gevoeliger is voor corruptie – en daarom ongeschikt wordt voor computationele taken – door de omringende omgeving dan de klassieke tegenhanger ervan, moeten onderzoekers die verschillende qubit-kandidaten bestuderen hun coherentie-eigenschappen karakteriseren:deze vertellen hen hoe goed en hoe lang kwantuminformatie kan worden gecorrumpeerd. informatie kan overleven in hun qubit-systeem.

In de meeste traditionele kwantumdots kan decoherentie van elektronenspin worden veroorzaakt door de spin-baan-interactie, die een ongewenste koppeling introduceert tussen de elektronenspin en de trillingen van het gastheerrooster en de hyperfijne interactie tussen de elektronenspin en de omringende kernspins. /P>

Zowel in grafeen als in andere op koolstof gebaseerde materialen zijn de spin-baankoppeling en de hyperfijne interactie beide zwak:dit maakt grafeen-kwantumdots bijzonder aantrekkelijk voor spinqubits. De resultaten gerapporteerd door Garreis, Tong en co-auteurs voegen nog een veelbelovend facet toe aan het beeld.

Het hexagonale rooster van BLG kan met specifieke microscopietechnieken in beeld worden gebracht.

De hexagonale symmetrie die in deze zogenaamde reële ruimte wordt waargenomen, is ook aanwezig in de momentumruimte, waar de hoekpunten van het rooster niet overeenkomen met de ruimtelijke locaties van koolstofatomen, maar met waarden van momentum geassocieerd met de vrije elektronen op het rooster. In de momentumruimte worden vrije elektronen gevonden in de lokale minima en maxima van het energielandschap, namelijk op punten waar de geleidings- en valentiebanden samenkomen.

Deze energie-extrema worden valleien genoemd. In BLG dicteert de hexagonale symmetrie het bestaan ​​van twee gedegenereerde energievalleien (dat wil zeggen, gekenmerkt door dezelfde elektronenenergie) die overeenkomen met tegengestelde elektronenmomentumwaarden. Deze vrijheidsgraad in de vallei kan op vrijwel dezelfde manier worden behandeld als elektronenspin in BLG:valleien in grafeen worden gewoonlijk pseudo-spins genoemd.

Hoewel valleitoestanden in dubbellaags grafeen al eerder bekend waren, bleef hun geschiktheid als praktische qubits tot nu toe onduidelijk.

Er is veel belofte in de vallei

Garreis, Tong en collega's beschouwden een dubbele kwantumdot - dat wil zeggen twee punten met afstembare koppeling - in BLG en maten de relaxatietijd voor dal- en spintoestanden. De relaxatietijd bepaalt de tijdsschaal waarop het systeem een ​​overgang maakt van de ene vallei of spin-toestand naar de andere en, als resultaat van het relaxatieproces, zijn energie verliest en ongeschikt wordt voor verdere qubit-operaties.

Het onderzoeksteam constateert dat dalstaten relaxatietijden hebben van meer dan een halve seconde, een resultaat dat wijst op veelbelovende coherentie-eigenschappen voor toekomstige dalqubits.

De meting van de spinrelaxatietijd in de dubbele kwantumdot van BLG geeft een waarde van minder dan 25 ms, wat veel korter is dan de relaxatietijd voor daltoestanden, maar goed overeenkomt met de spinrelaxatietijden gemeten in halfgeleiderkwantumdots. Belangrijk is dat beide waarden acceptabel zijn voor hoogwaardige manipulatie en uitlezing van qubits.

In het artikel benadrukken de onderzoekers ook aspecten die vragen om verder experimenteel en theoretisch onderzoek. Ze presenteren gegevens die de afhankelijkheid van de relaxatietijden voor spin- en daltoestanden aantonen van twee parameters waarvan wordt verwacht dat ze een rol spelen in de relaxatiedynamiek van de toestanden.

Eén parameter is de energieontstemming:dit is het energieverschil tussen de grondtoestanden van twee verschillende configuraties voor de dubbele kwantumdot. Het variëren van de ontstemming betekent dat er wordt ingespeeld op het energieverschil tussen de toestanden die betrokken zijn bij het ontspanningsproces. De andere parameter staat bekend als inter-dot-koppeling en bepaalt hoe gemakkelijk een elektron in de ene kwantumdot het territorium van de andere dot kan 'binnendringen'.

De auteurs rapporteren gedrag dat niet kan worden verklaard via de mechanismen die gewoonlijk een rol spelen bij quantum-dot-spinqubits. Er is aangetoond dat de relaxatietijd toeneemt bij ontstemming met hogere energie, wat niet overeenkomt met waarnemingen in andere systemen. Opmerkelijk is dat het variëren van de koppeling tussen de punten de relaxatietijd in de vallei onaangetast laat.

Het is duidelijk dat een vollediger begrip van de mechanismen die van invloed zijn op de relaxatietijden van valley en spin nodig is om te identificeren welke variabelen het beste kunnen werken voor het manipuleren van toekomstige valley-qubits. Ondertussen pleiten de bevindingen van Garreis, Tong en medewerkers voor het toevoegen van daltoestanden in BLG-kwantumdots aan het landschap van solid-state kwantumcomputers.

Meer informatie: Rebekka Garreis et al, Langlevende valleitoestanden in dubbellaagse grafeen-kwantumdots, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02334-7

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door ETH Zürich