石墨烯量子點——量子計算機的拓夢者！

材料牛注：量子計算機一直以來是人們的夢想，近日，科學家們研制出了石墨烯量子點，使量子態翻倍，我們離實現量子計算機的夢想又近了一步！

量子點是由像硅一樣的半導體材料制成的，正在開始改變顯示屏市場。因為量子點具有可以應用于顯示屏的光電性能，這是量子點的獨特性能，這種性能可以使電子進入離散量子狀態——量子計算機成為可能的希望。

事實證明，如果你真的想為量子計算機開發量子點，你最好拋開半導體的多樣性，轉向研究像石墨烯一樣的純半導體，這樣才有可能獲得成功。

維也納技術大學、英國曼徹斯特大學和德國亞琛工業大學的研究者們已經成功研制出了用石墨烯制成的量子點。根據此多國團隊所說，這些量子點已經為量子計算機提供了新的希望。

那么，什么是新的呢？研究者們已經發現，由石墨烯制成的量子點在給定的能量水平下，可以擁有四個量子狀態。這和半導體量子點不同，它只有兩個量子狀態。

維也納技術大學的助理教授Florian Libisch領導了此次研究，他在IEEE Spectrum雜志的一項采訪中解釋道：“在傳統半導體中，只有電子的旋轉，而在石墨烯中，還有一個叫作‘贗自旋’的守恒量。這兩種對稱電子可以一起生成2 x 2 = 4種量子態”。

根據研究者們所說，這些新增的量子態可能是量子計算機的福音。量子計算機依賴于量子位之間易控制的相干效應，一個量子位是兩種量子態的相干疊加。

實現可工作量子計算機的主要障礙是消相干，這涉及到由于環境的影響造成的量子性能損耗。這些相互作用使量子位出現崩潰。Libisch告訴IEEE Spectrum：“用我們的石墨烯量子點，你可能會想到將兩個量子位儲存在四重近簡并軌道中——這將使得在這兩個量子位中出現比二重簡并軌道更易受控制的相干效應。”新聞稿中，Joachim Burgd?rfer 說：“具有相同能量的四個局部電子態可以在不同的量子態之間轉換從而儲存信息。”

Nano Letters雜志描述的這一新研究的關鍵是研制出沒有損失四個量子態的硅量子點。為了研制出硅量子點，需要在一個很小的材料中隔離電子。最簡單的方法是從電子被束縛的薄層材料切下微小薄片。雖然這些技術都是為石墨烯效力的，但它破壞了薄層邊緣2D碳材料的對稱性，僅僅用兩種量子態就產生了量子點。

因此，研究者們沒有制備微小石墨烯薄片，而是用電磁混合場來束縛石墨烯中的電子。首先，用可以吸引低能量電子的電流來束縛石墨表面的電子。 然后，用磁場強制那些被束縛的電子進入到微小軌道中。

在這些微小軌道中，電子長期保持任意相干疊加態，這是一種對于量子計算機比較有吸引力的性能。除了四種量子態以外，石墨烯量子點提供可擴展性。根據研究者們所說，在量子計算機上使用的小芯片上安裝許多石墨烯量子點是可能的。

優點絕不會止于此。Libisch說：“石墨烯的一些其他優異性能得到了廣泛應用，包括可塑性（像柔性顯示器），超薄性（至少一納米），這可能要求更高的存儲密度。”

既然研究人員已經研制出了這四種量子態，那下一步將會一直進行調整。Libisch補充道：“我們想要證明如何調節它們的相互作用，這是將它們用于量子計算機的下一步行動。”

原文鏈接：Graphene?Doubles?Up?on?Quantum?Dots'?Promise?in?Quantum?Computing。

文獻鏈接：Electrostatically Confined Monolayer Graphene Quantum Dots with Orbital and Valley Splittings。

本文由編輯部龍騎士提供素材，樊超編譯，點我加入編輯部。