石墨烯量子点——量子计算机的拓梦者！

材料牛注：量子计算机一直以来是人们的梦想，近日，科学家们研制出了石墨烯量子点，使量子态翻倍，我们离实现量子计算机的梦想又近了一步！

量子点是由像硅一样的半导体材料制成的，正在开始改变显示屏市场。因为量子点具有可以应用于显示屏的光电性能，这是量子点的独特性能，这种性能可以使电子进入离散量子状态——量子计算机成为可能的希望。

事实证明，如果你真的想为量子计算机开发量子点，你最好抛开半导体的多样性，转向研究像石墨烯一样的纯半导体，这样才有可能获得成功。

维也纳技术大学、英国曼彻斯特大学和德国亚琛工业大学的研究者们已经成功研制出了用石墨烯制成的量子点。根据此多国团队所说，这些量子点已经为量子计算机提供了新的希望。

那么，什么是新的呢？研究者们已经发现，由石墨烯制成的量子点在给定的能量水平下，可以拥有四个量子状态。这和半导体量子点不同，它只有两个量子状态。

维也纳技术大学的助理教授Florian Libisch领导了此次研究，他在IEEE Spectrum杂志的一项采访中解释道：“在传统半导体中，只有电子的旋转，而在石墨烯中，还有一个叫作‘赝自旋’的守恒量。这两种对称电子可以一起生成2 x 2 = 4种量子态”。

根据研究者们所说，这些新增的量子态可能是量子计算机的福音。量子计算机依赖于量子位之间易控制的相干效应，一个量子位是两种量子态的相干叠加。

实现可工作量子计算机的主要障碍是消相干，这涉及到由于环境的影响造成的量子性能损耗。这些相互作用使量子位出现崩溃。Libisch告诉IEEE Spectrum：“用我们的石墨烯量子点，你可能会想到将两个量子位储存在四重近简并轨道中——这将使得在这两个量子位中出现比二重简并轨道更易受控制的相干效应。”新闻稿中，Joachim Burgdörfer 说：“具有相同能量的四个局部电子态可以在不同的量子态之间转换从而储存信息。”

Nano Letters杂志描述的这一新研究的关键是研制出没有损失四个量子态的硅量子点。为了研制出硅量子点，需要在一个很小的材料中隔离电子。最简单的方法是从电子被束缚的薄层材料切下微小薄片。虽然这些技术都是为石墨烯效力的，但它破坏了薄层边缘2D碳材料的对称性，仅仅用两种量子态就产生了量子点。

因此，研究者们没有制备微小石墨烯薄片，而是用电磁混合场来束缚石墨烯中的电子。首先，用可以吸引低能量电子的电流来束缚石墨表面的电子。 然后，用磁场强制那些被束缚的电子进入到微小轨道中。

在这些微小轨道中，电子长期保持任意相干叠加态，这是一种对于量子计算机比较有吸引力的性能。除了四种量子态以外，石墨烯量子点提供可扩展性。根据研究者们所说，在量子计算机上使用的小芯片上安装许多石墨烯量子点是可能的。

优点绝不会止于此。Libisch说：“石墨烯的一些其他优异性能得到了广泛应用，包括可塑性（像柔性显示器），超薄性（至少一纳米），这可能要求更高的存储密度。”

既然研究人员已经研制出了这四种量子态，那下一步将会一直进行调整。Libisch补充道：“我们想要证明如何调节它们的相互作用，这是将它们用于量子计算机的下一步行动。”

原文链接：Graphene Doubles Up on Quantum Dots' Promise in Quantum Computing。

文献链接：Electrostatically Confined Monolayer Graphene Quantum Dots with Orbital and Valley Splittings。

本文由编辑部龙骑士提供素材，樊超编译，点我加入编辑部。