一種新的二維量子比特

結合兩個超薄材料層為量子電子學帶來了新的可能性。一個由維也納科技大學的成員組成的研究小組展示了強可調諧的量子系統。

這些都是新的量子比特：極小的納米結構可以通過微調其能量級來精確控制單個電子。圖片來自：維也納科技大學

兩種新型材料，每種材料都由一個原子層和一個掃描隧道顯微鏡的尖端組成——這些都是創造一種新型的所謂「量子點」的成分。這些極小的納米結構可以通過直接微調其能量級來精確控制單個電子。這些器件是現代量子技術的關鍵。

新技術的理論模擬在維也納科技大學Florian Libisch教授和Joachim Burgd?rfer教授的團隊進行。這項實驗涉及亞琛工業大學的Markus Morgenstern教授團隊和來自曼徹斯特的諾貝爾獎得主Andre Geim和Kostya Novoselov的團隊，他們準備了樣品。結果現在已經發表在《自然納米技術》雜誌上。

調諧電子能量

「對於量子技術領域的許多應用，人們需要一個量子系統，電子佔據兩個狀態——類似於經典的開關，開或關兩個狀態，不同之處在於量子物理還允許開關狀態的任意疊加」。維也納科技大學理論物理研究所的Florian Libisch解釋道。

這些系統的一個關鍵特性是這兩種量子態之間的能量差異：「有效地操作存儲在電子量子態中的信息需要對系統參數進行完美控制，理想的系統允許連續調節能量差從零到一個很大的價值」，Libisch說。

對於自然界中發現的系統，例如原子，通常很難實現。原子狀態的能量及其差異是固定的。調諧能量在合成納米結構設計到限制電子的過程中成為可能。這種結構通常被稱為量子點或「人造原子」。

兩種超薄材料：石墨烯和六方氮化硼

維也納科技大學，亞琛工業大學和曼徹斯特大學的國際研究小組現在成功開發出一種新型量子點，它允許比以前更準確和更廣泛地調節受限電子的能量級。通過結合兩種非常特殊的材料：石墨烯(一種碳原子的導電單原子層)和六方氮化硼(也是與石墨烯非常相似的單層材料，只是它是絕緣的)可以實現這一進展。

完全像石墨烯氮化硼也可形成蜂窩狀晶格。Florian Libisch解釋道：「石墨烯和六方氮化硼中的蜂窩體尺寸並不完全相同。如果仔細地將單層石墨烯放在六方氮化硼頂部，這些層就不能完美匹配。這種輕微的不匹配產生了超過幾納米距離的超結構，這導致從完美平面的石墨烯層中出現極其規則的波狀空間振蕩。」

正如維也納科技大學所做的大量模擬表明的那樣，六方氮化硼上的石墨烯中的這些振蕩正好形成控制電子能量的理想支架。由正規上層結構創造的潛在格局可以準確地放置量子點，甚至連續移動它，從而順利改變其性質。根據掃描隧道顯微鏡尖端的確切位置，量子點內電子態的能量級發生變化。「幾納米的偏移可以將兩個相鄰能量級的能量差異從負5變到正10毫電子伏特(millielectronvolts)，具有高精度——調諧範圍大約比以前可能的大50倍」，Florian Libisch解釋說。

走向「能量谷電子」(Valleytronics)

下一步，掃描隧道顯微鏡的尖端可能會被一系列納米電子門取代。這將允許利用六方氮化硼上石墨烯的量子點狀態用於可擴展量子技術，例如「能量谷電子」。

Florian Libisch評論道：「這個新興的領域正在迅速成為關注中心。這些原子級薄材料有多種潛在的技術應用——這也是維也納科技大學也在最近建立了一個專註於二維材料研究的特色博士學院的原因。」

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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