Na computação quântica, a questão de saber qual sistema físico e quais graus de liberdade dentro desse sistema podem ser usados ​​para codificar bits quânticos de informação – em resumo, qubits – está no centro de muitos projetos de pesquisa realizados em laboratórios de física e engenharia.



Qubits supercondutores, qubits de spin e qubits codificados no movimento de íons aprisionados já são amplamente reconhecidos como os principais candidatos para futuras aplicações práticas de computadores quânticos; outros sistemas precisam ser melhor compreendidos e, assim, oferecer um terreno estimulante para investigações fundamentais.

Rebekka Garreis, Chuyao Tong, Wister Huang e seus colegas do grupo dos professores Klaus Ensslin e Thomas Ihn do Departamento de Física da ETH Zurich têm investigado pontos quânticos de grafeno bicamada (BLG), conhecidos como uma plataforma potencial para spin qubits , para descobrir se outro grau de liberdade de BLG pode ser usado para codificar informações quânticas.

Suas últimas descobertas, publicadas recentemente na Nature Physics com colaboradores do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão, mostram que o chamado grau de liberdade do vale no BLG está associado a estados quânticos que têm vida extremamente longa e, portanto, vale a pena considerar mais adiante como um recurso adicional para estados quânticos de estado sólido. Informática.

Está tudo na estrutura reticulada

O grafeno é um material bidimensional formado por uma única camada de átomos de carbono ligados em uma estrutura hexagonal. Sua aparência em forma de folha é enganosa, já que o grafeno está entre os materiais mais fortes da Terra; suas propriedades mecânicas e eletrônicas são de grande interesse para diversos setores industriais.

No grafeno bicamada, sistema utilizado pelos pesquisadores, duas folhas de átomos de carbono ficam uma sobre a outra. Tanto o grafeno quanto o BLG são semimetais, pois não possuem o gap de energia característico encontrado em semicondutores e, mais notavelmente, em isolantes. No entanto, um band gap ajustável pode ser projetado no BLG aplicando um campo elétrico perpendicularmente ao plano das folhas.

A abertura de um gap é necessária para usar o BLG como material hospedeiro para pontos quânticos, que são 'caixas' em escala nanométrica capazes de confinar um ou poucos elétrons. Geralmente fabricados em materiais hospedeiros semicondutores, os pontos quânticos oferecem excelente controle sobre elétrons individuais. Por esta razão, eles são uma plataforma importante para qubits de spin, sistemas onde a informação quântica é codificada no grau de liberdade do spin do elétron.

Como a informação quântica é muito mais propensa a ser corrompida – e, portanto, torna-se inadequada para tarefas computacionais – pelo ambiente circundante do que a sua contraparte clássica, os investigadores que estudam diferentes candidatos a qubit devem caracterizar as suas propriedades de coerência:estas dizem-lhes quão bem e por quanto tempo a informação quântica é quântica. as informações podem sobreviver em seu sistema qubit.

Na maioria dos pontos quânticos tradicionais, a decoerência do spin do elétron pode ser causada pela interação spin-órbita, que introduz um acoplamento indesejado entre o spin do elétron e as vibrações da rede hospedeira e a interação hiperfina entre o spin do elétron e os spins nucleares circundantes.

No grafeno, bem como em outros materiais à base de carbono, o acoplamento spin-órbita e a interação hiperfina são fracos:isso torna os pontos quânticos de grafeno especialmente atraentes para qubits de spin. Os resultados relatados por Garreis, Tong e coautores acrescentam mais uma faceta promissora ao quadro.

A rede hexagonal do BLG pode ser visualizada com técnicas específicas de microscopia.

A simetria hexagonal observada neste chamado espaço real também está presente no espaço de momento, onde os vértices da rede não correspondem às localizações espaciais dos átomos de carbono, mas a valores de momento associados aos elétrons livres na rede. No espaço de momentos, os elétrons livres são encontrados nos mínimos e máximos locais da paisagem energética, nomeadamente nos pontos onde as bandas de condução e de valência se encontram.

Esses extremos de energia são chamados de vales. No BLG, a simetria hexagonal dita a existência de dois vales de energia degenerados (isto é, caracterizados pela mesma energia eletrônica) correspondendo a valores opostos de momento eletrônico. Este grau de liberdade do vale pode ser tratado da mesma maneira que o spin do elétron no BLG - vales no grafeno são comumente chamados de pseudo-spins.

Embora os estados de vale no grafeno bicamada fossem conhecidos antes, sua adequação como qubits práticos permaneceu obscura até agora.

Há muitas promessas no vale

Garreis, Tong e colegas de trabalho consideraram um ponto quântico duplo – isto é, dois pontos com acoplamento ajustável – em BLG e mediram o tempo de relaxamento para estados de vale e spin. O tempo de relaxamento define a escala temporal na qual o sistema faz a transição de um vale ou estado de spin para outro e, como resultado do processo de relaxamento, perde sua energia e se torna inadequado para futuras operações de qubit.

A equipe de pesquisa descobriu que os estados do vale têm tempos de relaxamento superiores a meio segundo, um resultado que aponta para propriedades de coerência promissoras para futuros qubits do vale.

A medição do tempo de relaxamento de spin no ponto quântico duplo BLG fornece um valor abaixo de 25 ms, que é muito menor que o tempo de relaxamento para estados de vale, mas está em boa concordância com os tempos de relaxamento de spin medidos em pontos quânticos semicondutores. É importante ressaltar que ambos os valores são aceitáveis ​​para manipulação e leitura de qubit de alta qualidade.

No artigo, os pesquisadores também destacam aspectos que exigem maiores investigações experimentais e teóricas. Eles apresentam dados que mostram a dependência dos tempos de relaxação para estados de spin e vale em dois parâmetros que se espera que desempenhem um papel na dinâmica de relaxação dos estados.

Um parâmetro é a dessintonia de energia:esta é a diferença de energia entre os estados fundamentais de duas configurações distintas para o ponto quântico duplo. Variar a desafinação significa atuar na diferença de energia entre os estados envolvidos no processo de relaxamento. O outro parâmetro é conhecido como acoplamento entre pontos e determina a facilidade com que um elétron em um ponto quântico pode “invadir” o território do outro ponto.

Os autores relatam comportamentos que não podem ser explicados através dos mecanismos que normalmente atuam em qubits de spin de pontos quânticos. O tempo de relaxamento aumenta com a dessintonização de energia mais alta, o que não corresponde às observações em outros sistemas. Notavelmente, a variação do acoplamento entre pontos não afeta o tempo de relaxamento do vale.

É claro que é necessária uma compreensão mais completa dos mecanismos que afetam os tempos de relaxamento de vale e spin para identificar quais variáveis ​​podem funcionar melhor para manipular futuros qubits de vale. Enquanto isso, as descobertas apresentadas por Garreis, Tong e colaboradores defendem a adição de estados de vale em pontos quânticos BLG ao cenário da computação quântica de estado sólido.

Mais informações: Rebekka Garreis et al, Estados de vale de longa vida em pontos quânticos de grafeno bicamada, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02334-7
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido por ETH Zurique