耦合量子点可能提供一种存储量子信息的新方法

时间：2022-04-10 12:25:05 来源：

用扫描隧道显微镜拍摄的新颖的耦合量子点系统的图像显示，电子在两个同心的紧密间隔的环组中绕行，这些环被间隙隔开。内部的一组环代表一个量子点。外部较亮的集合表示较大的外部量子点。

美国国家标准技术研究院（NIST）的研究人员及其同事首次创建并成像了一对新的量子点，即一对微小的约束电荷岛，它们像相互作用的人造原子一样起作用。这样的“耦合”量子点可以用作健壮的量子位或量子位，量子计算机的基本信息单元。此外，目前的量子物理学模型无法完全解释岛上的电荷模式，这为研究材料中丰富的新物理现象提供了机会。

传统计算机不像传统计算机那样依赖二进制位，而二进制位仅具有两个固定值之一（“ 1”或“ 0”）来存储内存，而量子计算机则可以量子位的形式存储和处理信息，而量子位可以同时处理多种信息。价值观。因此，它们可以执行比传统位更大，更复杂的操作，并有可能革新计算。

电子绕单个量子点的中心运行，类似于它们绕原子运行的方式。带电粒子只能占据特定的允许能级。在每个能级上，电子都可以占据点中一系列可能的位置，从而追踪出一条轨道，该轨道的形状由量子理论的规则确定。一对耦合的量子点可以在它们之间共享电子，从而形成量子位。

为了制造量子点，由NIST领导的团队（包括来自马里兰大学纳米中心和日本国立材料科学研究所的研究人员）使用了扫描隧道显微镜（STM）的超尖尖端，就好像它是探针一样。蚀刻草图。研究人员将尖端悬停在超冷石墨烯片上（单层碳原子以蜂窝状排列），研究人员短暂地提高了尖端的电压。

电压脉冲产生的电场穿过石墨烯进入氮化硼的下层，在该层中，该层中的原子杂质中的电子被剥离，从而产生电荷堆积。堆积使石墨烯中自由浮动的电子束缚起来，将它们限制在一个很小的能量阱中。

但是，当研究小组施加4到8特斯拉的磁场（大约是小条形磁铁的强度的400到800倍）时，它极大地改变了电子可以占据的轨道的形状和分布。现在，电子不再是单个阱，而是驻留在原始阱中由小空壳隔开的两组同心，紧密间隔的环中。现在，电子的两组环的行为就好像它们是弱耦合的量子点一样。

NIST的合著者Daniel Walkup指出，这是研究人员首次如此深入地研究耦合量子点系统的内部，以原子分辨率成像电子分布（参见插图）。为了获取系统的高分辨率图像和光谱，该团队利用了量子点的大小与轨道电子所占据的能级间距之间的特殊关系：点越小，间距越大，并且更容易区分相邻的能级。

在先前使用石墨烯的量子点研究中，研究小组施加了一个较小的磁场，并发现了一个环状结构，类似于一个结婚蛋糕，其结构以同一个量子点环的起源为中心的单个量子点为中心。通过使用STM尖端构造的点大约是他们先前研究的点直径的一半（100纳米），研究人员成功地揭示了耦合系统的完整结构。

NIST和马里兰纳米中心的Walkup，Fereshte Ghahari，ChristopherGutiérrez和Joseph Stroscio组成的团队今天在《物理评论B》中描述了其发现。

Walkup说，无法通过公认的量子点物理模型来解释在两个耦合点之间共享电子的方式。Stroscio指出，这个难题对于解决耦合量子点最终是否将用作量子计算中的量子位可能很重要。

参考：丹尼尔·沃克（Daniel Walkup），费雷什特·加哈里（Fereshte Ghahari），克里斯托弗·古铁雷斯（ChristopherGutiérrez），渡边谦二（Kenji Watanabe），高谷谷口（Nikolai B.Zhittenev）和约瑟夫·A·斯特罗斯西奥（Joseph A.Stroscio）于2020年1月29日发表的《物理评论B. DOI：
10.1103 / PhysRevB.101.035428

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