Quantenpunkte in Halbleitern wie Silizium oder Galliumarsenid gelten seit langem als heiße Kandidaten für Quantenbits in zukünftigen Quantenprozessoren. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen haben nun gezeigt, dass Bilayer-Graphen hier noch mehr zu bieten hat als andere Materialien.
Die von ihnen geschaffenen doppelten Quantenpunkte zeichnen sich durch eine nahezu perfekte Elektron-Loch-Symmetrie aus, die einen robusten Auslesemechanismus ermöglicht – eines der notwendigen Kriterien für Quantencomputing. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Natur.
Die Entwicklung robuster Halbleiter-Spin-Qubits könnte in Zukunft bei der Realisierung von großen Quantencomputern helfen. Allerdings stecken aktuelle Quantenpunkt-basierte Qubit-Systeme noch in den Kinderschuhen. Im Jahr 2022 konnten Forscher von QuTech in den Niederlanden erstmals 6 siliziumbasierte Spin-Qubits erstellen. Bei Graphen ist es noch ein weiter Weg. Das 2004 erstmals isolierte Material ist für viele Wissenschaftler hochinteressant. Aber die Realisierung des ersten Quantenbits steht noch aus.
„Bilayer-Graphen ist ein einzigartiger Halbleiter“, erklärt Prof. Christoph Stampfer vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen. „Es teilt einige Eigenschaften mit einschichtigem Graphen und hat auch einige andere Besonderheiten. Das macht es für Quantentechnologien sehr interessant.“
Eines dieser Merkmale ist, dass es eine Bandlücke hat, die durch ein externes elektrisches Feld von null auf etwa 120 Millielektronenvolt eingestellt werden kann. Die Bandlücke kann genutzt werden, um Ladungsträger auf einzelne Bereiche, sogenannte Quantenpunkte, einzugrenzen. Abhängig von der angelegten Spannung können diese ein einzelnes Elektron oder sein Gegenstück, ein Loch, einfangen – im Grunde ein fehlendes Elektron in der Festkörperstruktur. Die Möglichkeit, dieselbe Gate-Struktur zu verwenden, um sowohl Elektronen als auch Löcher einzufangen, ist ein Merkmal, das bei herkömmlichen Halbleitern kein Gegenstück hat.
„Bilayer-Graphen ist noch ein recht neues Material. Bisher wurden damit hauptsächlich Experimente durchgeführt, die bereits mit anderen Halbleitern realisiert wurden. Unser aktuelles Experiment geht nun erstmals wirklich darüber hinaus“, sagt Christoph Stampfer. Er und seine Kollegen haben einen sogenannten doppelten Quantenpunkt geschaffen: zwei gegenüberliegende Quantenpunkte, die jeweils ein Elektron und ein Loch beherbergen, deren Spin-Eigenschaften sich nahezu perfekt spiegeln.
Breites Anwendungsspektrum
„Diese Symmetrie hat zwei bemerkenswerte Konsequenzen: Sie bleibt nahezu perfekt erhalten, selbst wenn Elektronen und Löcher in verschiedenen Quantenpunkten räumlich getrennt sind“, sagt Stampfer. Dieser Mechanismus kann verwendet werden, um Qubits über eine längere Distanz mit anderen Qubits zu koppeln. Und mehr noch: „Die Symmetrie führt zu einem sehr robusten Blockademechanismus, mit dem der Spin-Zustand des Punktes mit hoher Genauigkeit ausgelesen werden könnte.“
„Das geht über das hinaus, was in herkömmlichen Halbleitern oder anderen zweidimensionalen Elektronensystemen möglich ist“, sagt Prof. Fabian Hassler vom JARA-Institut für Quanteninformation am Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen, Mitautor der Studie.
„Die nahezu perfekte Symmetrie und die strengen Auswahlregeln sind nicht nur für den Betrieb von Qubits sehr attraktiv, sondern auch für die Realisierung von Einzelteilchen-Terahertz-Detektoren. Außerdem bietet es sich an, Quantenpunkte aus zweischichtigem Graphen mit Supraleitern zu koppeln, zwei Systemen, in denen Elektronen -Loch-Symmetrie spielt eine wichtige Rolle. Diese Hybridsysteme könnten verwendet werden, um effiziente Quellen für verschränkte Teilchenpaare oder künstliche topologische Systeme zu schaffen, was uns der Realisierung topologischer Quantencomputer einen Schritt näher bringt.“
Die Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal Nature veröffentlicht. Die Daten, die die Ergebnisse unterstützen, und die für die Analyse verwendeten Codes sind in a verfügbar Zenodo-Repository.
Mehr Informationen:
L. Banszerus et al, Partikel-Loch-Symmetrie schützt Spin-Valley-Blockade in Graphen-Quantenpunkten, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05953-5