En la computación cuántica, la cuestión de qué sistema físico y qué grados de libertad dentro de ese sistema pueden usarse para codificar bits cuánticos de información (qubits, en resumen) está en el centro de muchos proyectos de investigación llevados a cabo en laboratorios de física e ingeniería.
Los qubits superconductores, los qubits de espín y los qubits codificados en el movimiento de iones atrapados ya son ampliamente reconocidos como candidatos principales para futuras aplicaciones prácticas de las computadoras cuánticas; Es necesario comprender mejor otros sistemas y, por lo tanto, ofrecer un terreno estimulante para la investigación fundamental.
Rebekka Garreis, Chuyao Tong, Wister Huang y sus colegas del grupo de los profesores Klaus Ensslin y Thomas Ihn del Departamento de Física de ETH Zurich han estado investigando puntos cuánticos de grafeno bicapa (BLG), conocidos como una plataforma potencial para qubits de espín. , para descubrir si se puede utilizar otro grado de libertad de BLG para codificar información cuántica.
Sus últimos hallazgos, recién publicados en Nature Physics con colaboradores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, muestran que el llamado grado de libertad del valle en BLG está asociado con estados cuánticos que son extremadamente duraderos y, por lo tanto, vale la pena considerarlos como un recurso adicional para la tecnología cuántica de estado sólido. informática.
El grafeno es un material bidimensional formado por una sola capa de átomos de carbono unidos en una estructura reticular hexagonal. Su apariencia de lámina es engañosa, ya que el grafeno se encuentra entre los materiales más fuertes de la Tierra; sus propiedades mecánicas y electrónicas son de gran interés para muchos sectores industriales.
En el grafeno bicapa, el sistema utilizado por los investigadores, dos láminas de átomos de carbono se encuentran una encima de la otra. Tanto el grafeno como el BLG son semimetales, ya que carecen de la banda prohibida de energía característica que se encuentra en los semiconductores y, más notablemente, en los aislantes. Sin embargo, se puede diseñar una banda prohibida sintonizable en BLG aplicando un campo eléctrico perpendicular al plano de las láminas.
Es necesario abrir una banda prohibida para utilizar BLG como material anfitrión para puntos cuánticos, que son "cajas" de escala nanométrica capaces de confinar uno o pocos electrones. Generalmente fabricados en materiales semiconductores, los puntos cuánticos ofrecen un excelente control sobre los electrones individuales. Por este motivo, son una plataforma importante para los qubits de espín, sistemas en los que la información cuántica se codifica en el grado de libertad del espín del electrón.
Debido a que la información cuántica es mucho más propensa a ser corrompida (y por lo tanto a volverse inadecuada para tareas computacionales) por el entorno que la rodea que su contraparte clásica, los investigadores que estudian diferentes candidatos a qubits deben caracterizar sus propiedades de coherencia:éstas les dicen qué tan bien y por cuánto tiempo. la información puede sobrevivir en su sistema qubit.
En la mayoría de los puntos cuánticos tradicionales, la decoherencia del espín del electrón puede ser causada por la interacción espín-órbita, que introduce un acoplamiento no deseado entre el espín del electrón y las vibraciones de la red anfitriona y la interacción hiperfina entre el espín del electrón y los espines nucleares circundantes. /P>
En el grafeno, así como en otros materiales a base de carbono, el acoplamiento de la órbita de espín y la interacción hiperfina son débiles:esto hace que los puntos cuánticos de grafeno sean especialmente atractivos para los qubits de espín. Los resultados informados por Garreis, Tong y sus coautores añaden una faceta más prometedora al panorama.
Se pueden obtener imágenes de la red hexagonal de BLG con técnicas de microscopía específicas.
La simetría hexagonal observada en este llamado espacio real también está presente en el espacio de momento, donde los vértices de la red no corresponden a las ubicaciones espaciales de los átomos de carbono sino a valores de momento asociados con los electrones libres en la red. En el espacio de momento, los electrones libres se encuentran en los mínimos y máximos locales del paisaje energético, es decir, en los puntos donde se encuentran las bandas de conducción y valencia.
Estos extremos de energía se llaman valles. En BLG, la simetría hexagonal dicta la existencia de dos valles de energía degenerados (es decir, caracterizados por la misma energía electrónica) correspondientes a valores de momento electrónico opuestos. Este grado de libertad de valle se puede tratar de manera muy similar al espín del electrón en BLG; los valles en el grafeno se denominan comúnmente pseudoespines.
Si bien los estados valle del grafeno bicapa se conocían antes, su idoneidad como qubits prácticos no estaba clara hasta ahora.
Garreis, Tong y sus colaboradores consideraron un punto cuántico doble (es decir, dos puntos con acoplamiento sintonizable) en BLG y midieron el tiempo de relajación para los estados de valle y espín. El tiempo de relajación establece la escala temporal en la que el sistema hace una transición de un valle o estado de espín a otro y, como resultado del proceso de relajación, pierde su energía y se vuelve inadecuado para futuras operaciones de qubit.
El equipo de investigación descubre que los estados valle tienen tiempos de relajación superiores a medio segundo, un resultado que apunta a propiedades de coherencia prometedoras para futuros qubits valle.
La medición del tiempo de relajación del espín en el punto cuántico doble BLG da un valor inferior a 25 ms, que es mucho más corto que el tiempo de relajación para los estados valle, pero concuerda con los tiempos de relajación del espín medidos en puntos cuánticos de semiconductores. Es importante destacar que ambos valores son aceptables para la manipulación y lectura de qubits de alta calidad.
En el artículo, los investigadores también destacan aspectos que requieren una mayor investigación experimental y teórica. Presentan datos que muestran la dependencia de los tiempos de relajación para los estados de espín y valle de dos parámetros que se espera que desempeñen un papel en la dinámica de relajación de los estados.
Un parámetro es la desafinación de energía:esta es la diferencia de energía entre los estados fundamentales de dos configuraciones distintas para el doble punto cuántico. Variar la desafinación significa actuar sobre la diferencia de energía entre los estados involucrados en el proceso de relajación. El otro parámetro se conoce como acoplamiento entre puntos y determina la facilidad con la que un electrón en un punto cuántico puede "traspasar" el territorio del otro punto.
Los autores informan comportamientos que no pueden explicarse mediante los mecanismos que suelen estar en juego en los qubits de espín de puntos cuánticos. Se ha demostrado que el tiempo de relajación aumenta con una desafinación de mayor energía, lo que no coincide con las observaciones en otros sistemas. Sorprendentemente, variar el acoplamiento entre puntos no afecta el tiempo de relajación del valle.
Está claro que se necesita una comprensión más completa de los mecanismos que afectan los tiempos de relajación del valle y del espín para identificar qué variables pueden funcionar mejor para manipular futuros qubits del valle. Mientras tanto, los hallazgos presentados por Garreis, Tong y sus colaboradores justifican la adición de estados valle en puntos cuánticos BLG al panorama de la computación cuántica de estado sólido.
Más información: Rebekka Garreis et al, Estados de valle de larga duración en puntos cuánticos de grafeno bicapa, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02334-7
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por ETH Zurich
