Nell’informatica quantistica, la questione su quale sistema fisico e quali gradi di libertà al suo interno possano essere utilizzati per codificare bit quantistici di informazione – qubit, in breve – è al centro di molti progetti di ricerca condotti nei laboratori di fisica e ingegneria.
I qubit superconduttori, gli spin qubit e i qubit codificati nel movimento degli ioni intrappolati sono già ampiamente riconosciuti come i primi candidati per le future applicazioni pratiche dei computer quantistici; altri sistemi devono essere compresi meglio e quindi offrire un terreno stimolante per l'indagine fondamentale.
Rebekka Garreis, Chuyao Tong, Wister Huang e i loro colleghi del gruppo dei professori Klaus Ensslin e Thomas Ihn del Dipartimento di fisica dell'ETH di Zurigo hanno esaminato i punti quantici a doppio strato di grafene (BLG), noti come potenziale piattaforma per spin qubit , per scoprire se un altro grado di libertà del BLG può essere utilizzato per codificare l'informazione quantistica.
Le loro ultime scoperte, appena pubblicate su Nature Physics con i collaboratori dell'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali in Giappone, mostrano che il cosiddetto grado di libertà della valle in BLG è associato a stati quantistici che sono estremamente longevi e che quindi vale la pena considerare ulteriormente come una risorsa aggiuntiva per la quantistica a stato solido informatica.
Il grafene è un materiale bidimensionale dato da un singolo strato di atomi di carbonio legati in una struttura reticolare esagonale. Il suo aspetto laminare è ingannevole, poiché il grafene è tra i materiali più resistenti sulla Terra; le sue proprietà meccaniche ed elettroniche sono di grande interesse per molti settori industriali.
Nel grafene a doppio strato, il sistema utilizzato dai ricercatori, due fogli di atomi di carbonio si trovano uno sopra l'altro. Sia il grafene che il BLG sono semimetalli, poiché mancano del caratteristico gap di banda energetica presente nei semiconduttori e, soprattutto, negli isolanti. Tuttavia, in BLG è possibile progettare un gap di banda regolabile applicando un campo elettrico perpendicolarmente al piano dei fogli.
L'apertura di un gap di banda è necessaria per utilizzare BLG come materiale ospite per i punti quantici, che sono "scatole" su scala nanometrica in grado di confinare uno o pochi elettroni. Solitamente fabbricati in materiali ospiti semiconduttori, i punti quantici offrono un controllo eccellente sui singoli elettroni. Per questo motivo, rappresentano un'importante piattaforma per gli spin qubit, sistemi in cui l'informazione quantistica è codificata nel grado di libertà dello spin dell'elettrone.
Poiché l’informazione quantistica è molto più incline a essere corrotta – e quindi a diventare inadatta per compiti computazionali – da parte dell’ambiente circostante rispetto alla sua controparte classica, i ricercatori che studiano diversi candidati qubit devono caratterizzare le loro proprietà di coerenza:queste dicono loro quanto bene e per quanto tempo l’informazione quantistica le informazioni possono sopravvivere nel loro sistema di qubit.
Nella maggior parte dei punti quantici tradizionali, la decoerenza dello spin dell'elettrone può essere causata dall'interazione spin-orbita, che introduce un accoppiamento indesiderato tra lo spin dell'elettrone e le vibrazioni del reticolo ospite e l'interazione iperfine tra lo spin dell'elettrone e gli spin nucleari circostanti. /P>
Nel grafene, così come in altri materiali a base di carbonio, l’accoppiamento spin-orbita e l’interazione iperfine sono entrambi deboli:questo rende i punti quantici di grafene particolarmente attraenti per gli spin qubit. I risultati riportati da Garreis, Tong e coautori aggiungono un altro aspetto promettente al quadro.
Il reticolo esagonale del BLG può essere ripreso con specifiche tecniche di microscopia.
La simmetria esagonale osservata in questo cosiddetto spazio reale è presente anche nello spazio della quantità di moto, dove i vertici del reticolo non corrispondono alle posizioni spaziali degli atomi di carbonio ma ai valori della quantità di moto associati agli elettroni liberi sul reticolo. Nello spazio della quantità di moto, gli elettroni liberi si trovano nei minimi e nei massimi locali del panorama energetico, vale a dire nei punti in cui le bande di conduzione e di valenza si incontrano.
Questi estremi energetici sono chiamati valli. Nella BLG, la simmetria esagonale impone l'esistenza di due valli energetiche degeneri (cioè caratterizzate dalla stessa energia elettronica) corrispondenti a valori opposti della quantità di moto elettronica. Questo grado di libertà della valle può essere trattato più o meno allo stesso modo dello spin dell'elettrone nel BLG:le valli nel grafene sono comunemente chiamate pseudo-spin.
Sebbene gli stati valle nel grafene a doppio strato fossero già noti, la loro idoneità come qubit pratici è rimasta poco chiara fino ad ora.
Garreis, Tong e colleghi hanno considerato un doppio punto quantico, ovvero due punti con accoppiamento sintonizzabile, in BLG e hanno misurato il tempo di rilassamento per gli stati di valle e di spin. Il tempo di rilassamento definisce la scala temporale su cui il sistema effettua una transizione da uno stato di valle o di rotazione a un altro e, come risultato del processo di rilassamento, perde la sua energia e diventa inadatto per ulteriori operazioni di qubit.
Il gruppo di ricerca scopre che gli stati valle hanno tempi di rilassamento superiori a mezzo secondo, un risultato che indica proprietà di coerenza promettenti per i futuri qubit valle.
La misurazione del tempo di rilassamento dello spin nel doppio punto quantico BLG fornisce un valore inferiore a 25 ms, che è molto più breve del tempo di rilassamento per gli stati valle ma è in buon accordo con i tempi di rilassamento dello spin misurati nei punti quantici dei semiconduttori. È importante sottolineare che entrambi i valori sono accettabili per la manipolazione e la lettura di qubit di alta qualità.
Nel documento i ricercatori evidenziano anche aspetti che richiedono ulteriori indagini sperimentali e teoriche. Presentano dati che mostrano la dipendenza dei tempi di rilassamento per gli stati di spin e di valle da due parametri che si prevede giochino un ruolo nelle dinamiche di rilassamento degli stati.
Un parametro è la desintonizzazione energetica:questa è la differenza di energia tra gli stati fondamentali di due distinte configurazioni per il doppio punto quantico. Variare la stonatura significa agire sulla differenza energetica tra gli stati coinvolti nel processo di rilassamento. L'altro parametro è noto come accoppiamento inter-punto e determina la facilità con cui un elettrone in un punto quantico può "entrare" nel territorio dell'altro punto.
Gli autori riportano comportamenti che non possono essere spiegati attraverso i meccanismi che di solito sono in gioco nei qubit con spin a punti quantici. È stato dimostrato che il tempo di rilassamento aumenta con una maggiore desintonizzazione energetica, il che non corrisponde alle osservazioni in altri sistemi. Sorprendentemente, la variazione dell'accoppiamento tra punti lascia inalterato il tempo di rilassamento della valle.
È chiaro che è necessaria una comprensione più completa dei meccanismi che influenzano i tempi di rilassamento della valle e dello spin per identificare quali variabili potrebbero funzionare meglio per manipolare i futuri qubit della valle. Nel frattempo, i risultati presentati da Garreis, Tong e collaboratori sostengono la necessità di aggiungere gli stati valle nei punti quantici BLG al panorama dell'informatica quantistica a stato solido.
Ulteriori informazioni: Rebekka Garreis et al, Stati di valle longevi in punti quantici di grafene a doppio strato, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02334-7
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito da ETH Zurigo
