稳健的半导体自旋量子位的发展可能有助于未来实现大规模量子计算机。然而，当前基于量子点的量子位系统仍处于起步阶段。2022 年，荷兰 QuTech 的研究人员首次能够创建 6 个硅基自旋量子位。对于石墨烯，还有很长的路要走。这种材料于 2004 年首次分离出来，对许多科学家极具吸引力。但是第一个量子位的实现还没有到来。

“双层石墨烯是一种独特的半导体，”Forschungszentrum Jülich 和 RWTH Aachen 大学的 Christoph Stampfer 教授解释说。“它与单层石墨烯共享几个特性，还具有其他一些特殊功能。这使得它对量子技术非常有趣。”

其中一个特点是它有一个带隙，可以通过外部电场从零调谐到大约 120 毫电子伏特。带隙可用于将电荷载流子限制在各个区域，即所谓的量子点。根据施加的电压，它们可以捕获单个电子或其对应物，即空穴——基本上是固态结构中缺失的电子。使用相同的栅极结构来捕获电子和空穴的可能性是传统半导体中没有的特征。

“双层石墨烯仍然是一种相当新的材料。到目前为止，主要是用它进行了其他半导体已经实现的实验。我们目前的实验现在第一次真正超越了这一点，”Christoph Stampfer 说。他和他的同事创造了一个所谓的双量子点：两个相对的量子点，每个量子点都有一个电子和一个空穴，它们的自旋特性几乎完美地相互映射。

广泛的应用

“这种对称性有两个显着的后果：即使电子和空穴在不同的量子点中空间分离，它也几乎完美地保存下来，”Stampfer 说。这种机制可用于将量子位耦合到更长距离的其他量子位。更重要的是，“对称性导致了一种非常强大的封锁机制，可用于以高保真度读出点的自旋状态。”

“这超出了传统半导体或任何其他二维电子系统所能做到的，”该研究的合著者、于利希研究中心 JARA 量子信息研究所和亚琛工业大学的 Fabian Hassler 教授说。“近乎完美的对称性和强大的选择规则不仅对于操作量子位非常有吸引力，而且对于实现单粒子太赫兹探测器也非常有吸引力。此外，它有助于将双层石墨烯的量子点与超导体耦合，这两个系统中电子-孔对称性起着重要作用。这些混合系统可用于创建纠缠粒子对或人工拓扑系统的有效来源，使我们离实现拓扑量子计算机更近了一步。”

研究结果发表在《自然》杂志上。支持结果的数据和用于分析的代码可在Zenodo 存储库中获得。除其他外，该研究由欧盟的 Horizo​​n 2020 研究和创新计划(石墨烯旗舰)和欧洲研究委员会 (ERC) 以及德国研究基金会 (DFG) 资助，作为 Matter of Light 的一部分用于量子计算 (ML4Q) 卓越集群。

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