耦合量子点可能提供一种存储量子信息的新方法

时间:2020-02-03 18:12 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

耦合量子点可能提供一种存储量子信息的新方法

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员和他们的同事首次创造并描绘了一对新的量子点——像相互作用的人工原子一样,由有限电荷组成的小岛。这种“耦合”量子点可以作为一个健壮的量子比特,或者量子比特,量子计算机的基本信息单位。此外,目前的量子物理模型不能完全解释岛上的电荷模式,这为研究物质中丰富的新物理现象提供了机会。

与传统计算机不同的是,传统计算机依靠二进制位来存储内存,二进制位只有两个固定的值——“1”或“0”中的一个,而量子计算机则以量子位的形式存储和处理信息,量子位可以同时接受多个值。因此,它们可以执行比传统位元更大、更复杂的运算,并有可能使计算发生革命性的变化。

电子围绕单个量子点的中心运行,就像它们围绕原子运行一样。带电粒子只能占据特定的允许能级。在每一个能级上,一个电子可以占据点的一个可能位置的范围,追踪出一个由量子理论规则决定形状的轨道。一对耦合的量子点可以共用一个电子,形成一个量子位。

为了制造量子点,nist领导的团队,包括来自马里兰大学纳米中心和日本国家材料科学研究所的研究人员,使用扫描隧道显微镜(STM)的超弦尖端,就好像是蚀刻草图的触针。研究人员将石墨烯尖端悬停在一层极薄的石墨烯(一层排列成蜂窝状的碳原子)上,短暂地提高了尖端的电压。

电压脉冲产生的电场穿透石墨烯,进入底层的氮化硼层,从原子杂质中剥离电子,形成电荷堆积。堆积将自由漂浮的电子聚集在石墨烯中,将它们限制在一个微小的能量阱中。

但当研究团队施加4到8特斯拉的磁场(大约是小条形磁铁强度的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。电子不再是单个的阱,而是驻留在两组同心的、间隔紧密的环中。电子的两组环现在表现得好像是弱耦合的量子点。

这是研究人员第一次如此深入地探索耦合量子点系统的内部,用原子分辨率成像电子的分布(见图),NIST的合著者Daniel Walkup指出。采取系统的高分辨率图像和光谱,研究小组利用一种特殊的关系量子点的大小和间距之间的能级被电子轨道:点越小,间距越大,就越容易区分相邻能级。

在之前使用石墨烯进行的量子点研究中,研究小组应用了更小的磁场,发现了一个环状结构,类似于婚礼蛋糕,以单个量子点为中心,这就是同心量子点环状结构的起源。通过使用STM尖端来构建大约是他们之前研究的直径(100纳米)一半的点,研究人员成功地揭示了耦合系统的完整结构。

研究小组成员包括Walkup、Fereshte Ghahari、Christopher Gutierrez和Joseph Stroscio,他们来自NIST和马里兰纳米中心。

沃克普说,两个耦合点之间的电子共享方式不能用量子点物理的公认模型来解释。Stroscio指出,如果耦合量子点最终将被用作量子计算中的量子位,那么这个谜题的解决可能很重要。

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