Разработка надежных полупроводниковых спиновых кубитов могла бы помочь в создании крупномасштабных квантовых компьютеров в будущем. Однако современные кубитные системы на основе квантовых точек все еще находятся в зачаточном состоянии. В 2022 году исследователи из QuTech в Нидерландах впервые смогли создать 6 спиновых кубитов на основе кремния. С графеном предстоит пройти еще долгий путь. Материал, который был впервые выделен в 2004 году, очень привлекателен для многих ученых. Но реализация первого квантового бита еще впереди.

"Двухслойный графен - уникальный полупроводник", - объясняет профессор. Кристоф Стампфер из Исследовательского центра Юлиха и RWTH Аахенского университета. "Он обладает рядом общих свойств с однослойным графеном, а также некоторыми другими особенностями. Это делает его очень интересным для квантовых технологий".

Одной из этих особенностей является то, что он имеет запрещенную зону, которую можно регулировать с помощью внешнего электрического поля от нуля примерно до 120 миллиэлектронвольт. Запрещенная зона может быть использована для удержания носителей заряда в отдельных областях, так называемых квантовых точках. В зависимости от приложенного напряжения они могут улавливать одиночный электрон или его аналог, дырку - по сути, отсутствующий электрон в твердотельной структуре. Возможность использования одной и той же структуры затвора для улавливания как электронов, так и дырок - это особенность, которой нет аналога в обычных полупроводниках.

"Двухслойный графен все еще является довольно новым материалом. До сих пор с ним проводились в основном эксперименты, которые уже были реализованы с другими полупроводниками. Наш нынешний эксперимент впервые выходит за рамки этого", - говорит Кристоф Стампфер. Он и его коллеги создали так называемую двойную квантовую точку: две противоположные квантовые точки, в каждой из которых находятся электрон и дырка, спиновые свойства которых почти идеально отражают друг друга.

Широкий спектр применений

"Эта симметрия имеет два замечательных следствия: она почти идеально сохраняется даже тогда, когда электроны и дырки пространственно разделены в разных квантовых точках", - сказал Стампфер. Этот механизм может быть использован для соединения кубитов с другими кубитами на большем расстоянии. И более того, "симметрия приводит к очень надежному блокирующему механизму, который можно было бы использовать для считывания спинового состояния точки с высокой точностью".

"Это выходит за рамки того, что можно сделать в обычных полупроводниках или любых других двумерных электронных системах", - говорит профессор. Фабиан Хасслер из Института квантовой информации JARA в Исследовательском центре Юлиха и RWTH Аахенского университета, соавтор исследования. "Почти идеальная симметрия и строгие правила отбора очень привлекательны не только для работы с кубитами, но и для реализации одночастичных терагерцовых детекторов. Кроме того, он пригоден для соединения квантовых точек двухслойного графена со сверхпроводниками - двумя системами, в которых электронно-дырочная симметрия играет важную роль. Эти гибридные системы могут быть использованы для создания эффективных источников пар запутанных частиц или искусственных топологических систем, что приблизит нас на один шаг к созданию топологических квантовых компьютеров".

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature. Данные, подтверждающие результаты, и коды, используемые для анализа, доступны в репозитории Zenodo. Исследование финансировалось, в частности, программой исследований и инноваций Европейского союза Horizon 2020 (Graphene Flagship) и Европейским исследовательским советом (ERC), а также Немецким исследовательским фондом (DFG) в рамках кластера передового опыта "Материя света для квантовых вычислений" (ML4Q)..