I punti quantici accoppiati possono offrire un nuovo modo di memorizzare informazioni quantistiche

I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno creato e immaginato per la prima volta una nuova coppia di punti quantici - piccole isole di carica elettrica confinata che agiscono come interazioni di atomi artificiali. Tali punti quantici "accoppiati" potrebbero servire come un solido bit quantico, o qubit, l'unità fondamentale di informazione per un computer quantistico. Inoltre, i modelli di carica elettrica nell'isola non possono essere completamente spiegati dagli attuali modelli di fisica quantistica, offrendo l'opportunità di studiare nuovi e ricchi fenomeni fisici nei materiali.

I punti quantici accoppiati possono offrire un nuovo modo di memorizzare informazioni quantistiche

I punti quantici accoppiati possono offrire un nuovo modo di memorizzare informazioni quantistiche

I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno creato e immaginato per la prima volta una nuova coppia di punti quantici - piccole isole di carica elettrica confinata che agiscono come interazioni di atomi artificiali. Tali punti quantici "accoppiati" potrebbero servire come un solido bit quantico, o qubit, l'unità fondamentale di informazione per un computer quantistico. Inoltre, i modelli di carica elettrica nell'isola non possono essere completamente spiegati dagli attuali modelli di fisica quantistica, offrendo l'opportunità di studiare nuovi e ricchi fenomeni fisici nei materiali.

A differenza di un computer classico, che si basa su bit binari che hanno solo uno dei due valori fissi - "1" o "0" - per memorizzare la memoria, un computer quantistico memorizzerebbe ed elaborerebbe le informazioni in qubit, che possono assumere contemporaneamente un moltitudine di valori. Pertanto, potrebbero eseguire operazioni molto più grandi e complesse rispetto ai bit classici e potrebbero potenzialmente rivoluzionare l'informatica.

Gli elettroni orbitano attorno al centro di un singolo punto quantico simile al modo in cui orbitano gli atomi. Le particelle cariche possono solo occupare specifici livelli di energia consentiti. Ad ogni livello di energia, un elettrone può occupare una gamma di possibili posizioni nel punto, tracciando un'orbita la cui forma è determinata dalle regole della teoria quantistica. Una coppia di punti quantici accoppiati può condividere un elettrone tra loro, formando un qubit.

Per fabbricare i punti quantici, il team guidato dal NIST, che includeva ricercatori dell'Università del Maryland NanoCenter e del National Institute for Materials Science in Giappone, ha usato la punta ad ultrasuoni di un microscopio a scansione a tunnel (STM) come se fosse uno stilo di un'incisione Uno schizzo. Passando la punta sopra un foglio ultracoldo di grafene (un singolo strato di atomi di carbonio disposto in un modello a nido d'ape), i ricercatori hanno brevemente aumentato la tensione della punta.

L'immagine di un nuovo sistema di punti quantici accoppiati presi con un microscopio a tunnel a scansione mostra elettroni in orbita all'interno di due serie concentriche di anelli ravvicinati, separati da un gap. L'insieme interno di anelli rappresenta un punto quantico; l'insieme esterno, più luminoso, rappresenta un punto quantico esterno più grande. Credito: NIST

Il campo elettrico generato dall'impulso di tensione penetra attraverso il grafene in uno strato sottostante di nitruro di boro, dove rimuove gli elettroni dalle impurità atomiche nello strato e crea un accumulo di carica elettrica. L'accumulo ha richiamato elettroni liberamente fluttuanti nel grafene, confinandoli in un piccolo pozzo di energia.

Ma quando il team ha applicato un campo magnetico da 4 a 8 tesla (circa 400-800 volte la forza di un piccolo magnete a barra), ha alterato drasticamente la forma e la distribuzione delle orbite che gli elettroni potevano occupare. Piuttosto che un singolo pozzo, gli elettroni ora risiedevano in due serie di anelli concentrici, strettamente distanziati all'interno del pozzo originale separati da un piccolo guscio vuoto. I due gruppi di anelli per gli elettroni ora si comportavano come se fossero punti quantici debolmente accoppiati.

Questa è la prima volta che i ricercatori hanno sondato così profondamente l'interno di un sistema di punti quantici accoppiati, immaginando la distribuzione di elettroni con risoluzione atomica (vedi illustrazione), ha osservato il coautore del NIST Daniel Walkup. Per acquisire immagini e spettri ad alta risoluzione del sistema, il team ha approfittato di una relazione speciale tra la dimensione di un punto quantico e la spaziatura dei livelli di energia occupati dagli elettroni in orbita: più piccolo è il punto, maggiore è la spaziatura, e più è facile distinguere i livelli di energia adiacenti.

In un precedente studio sui punti quantici usando grafene, il team ha applicato un campo magnetico più piccolo e ha trovato una struttura di anelli, simile a una torta nuziale, centrata su un singolo punto quantico, che è l'origine degli anelli concentrici di punti quantici. Usando la punta STM per costruire punti circa la metà del diametro (100 nanometri) di punti che avevano precedentemente studiato, i ricercatori sono riusciti a rivelare l'intera struttura del sistema accoppiato.

Il team, che comprendeva Walkup, Fereshte Ghahari, Christopher Gutiérrez e Giuseppe Stroscio al NIST e il Maryland NanoCenter, descrive le sue conclusioni oggi in Physical Review B .

Il modo in cui gli elettroni sono condivisi tra i due punti accoppiati non può essere spiegato da modelli accettati della fisica dei punti quantici, ha detto Walkup. Questo enigma potrebbe essere importante da risolvere se alla fine si dovessero usare punti quantici accoppiati come qubit nel calcolo quantistico, ha osservato Stroscio.


Fonte dell'articolo:

  1. National Institute of Standards and Technology (NIST)

Riferimenti:

  1. Daniel Walkup, Fereshte Ghahari, Christopher Gutiérrez, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Nikolai B. Zhitenev, Joseph A. Stroscio. Ottimizzazione della carica a singolo elettrone e interazioni tra isole di livello Landau comprimibili nel grafene . Revisione fisica B , 2020; 101 (3) DOI: 10.1103 / PhysRevB.101.035428