Weltweit arbeiten viele Wissenschaftler an verschiedenen Modellen eines Quantencomputers. Eines der vorgeschlagenen Modelle ist ein Quantencomputer, der Elektronenspins verwendet. Und während Quantenpunkte in Galliumarsenid verwendet wurden, um die ersten Schritte in diese Richtung auszuführen, gibt es bestimmte Probleme, die mit einem spinbasierten Quantencomputer auftreten, der Galliumarsenid verwendet. Klaus Ensslin, Wissenschaftler am Labor für Festkörperphysik in Zürich, glaubt, dass er und seine Kollegen möglicherweise einen neuen Ansatz gefunden haben.

Ensslin und seine Kollegen aus dem Solid State Physics Laboratory, Stampfer, Güttinger, Molitor, Graf und Ihn glauben, dass sie mithilfe von Elektronenspins aus einem abstimmbaren Graphen-Quantenpunkt Qubits erzeugen können, die Bausteine ​​eines Quantencomputers. Dieses Qubit auf Graphenbasis könnte einige der mit Galliumarsenid festgestellten Probleme beheben. Als ersten Schritt präsentieren sie in Applied Physics Letters einen Graphen-Einzelelektronentransistor: "Tunable Coulomb Blockade in nanostrukturiertem Graphen."

Eines der Hauptprobleme bei spinbasierten Quantencomputern ist laut Ensslin, dass Spins ihre Richtung nicht auf unbestimmte Zeit beibehalten. "Spin ist in einem Magnetfeld hoch oder runter", sagt er zu PhysOrg.com, "das mit Null oder Eins identifiziert werden kann." Er erklärt, dass es in einem Quantensetup sogar beides gleichzeitig sein kann. Spin-Zustände bleiben jedoch nicht immer im selben Zustand. „Sie interagieren mit verschiedenen Parametern in ihrer Umgebung, und das kann Dinge verändern.“ Elektronen haben ihren eigenen Spin, und die Kerne benachbarter Atome haben auch Spin. Schließlich wird der beim Quantencomputing verwendete Elektronenspin mit anderen Kernspins gekoppelt, was zu einem Zusammenbruch der Kohärenz im Quantensystem führt.

"Graphen stellt sich als ein Material heraus, von dem erwartet wird, dass es das überwindet", sagt Ensslin. Obwohl er und seine Kollegen einen Graphen-Quantenpunkt erstellt haben, befinden sich Hochrechnungen darüber, wie dies in einem Quantencomputer funktionieren würde, noch in der theoretischen Phase. „Wenn man sich das theoretisch anschaut, stellt man fest, dass 98 Prozent des Kohlenstoffs keinen Kernspin haben. Dies bedeutet, dass die Kopplung zwischen Kernspins und Elektronenspins stark reduziert würde. “

Die Erwartung ist, dass dies ein nettes System wäre, um "ein Spin-Qubit zu realisieren, vorausgesetzt, man kann einen Quantenpunkt in Graphen machen - was jetzt geschehen ist - und vorausgesetzt, man findet Möglichkeiten, einzelne Spins in diesem System zu manipulieren".

Ensslin nennt die Arbeit des Zürcher Teams einen ersten Schritt. „Wir haben gezeigt, dass ein Quantenpunkt aus Graphen möglich ist. Im Grunde ist es ein Beweis für das Prinzip. “Aber es gibt auch weitere Schritte, die unternommen werden müssen. Der Quantenpunkt muss getestet und verkleinert werden, damit vor ihm Herausforderungen liegen.

"Wir müssen in der Lage sein, zwischen einzelnen Elektronen zu unterscheiden", sagt Ensslin. "Im Moment wissen wir nicht, wie viele es gibt." Der springende Punkt ist, herauszufinden, wie man den Quantenpunkt an einen Punkt bringt, an dem es nicht mehr als ein oder zwei Elektronen gibt.

Ein weiteres Problem ist der Rand, sagt Ensslin. „Im Gegensatz zu Halbleitern, die im Allgemeinen glatte Kanten haben, hat Graphen eine rauere Kante. Theoretisch spielen die Kanten bei Graphen eine Rolle. Es wird wichtig sein, herauszufinden, wo sich die Atome am Rand befinden, und die experimentelle Kontrolle über den Rand zu erlangen. Dies ist entscheidend, um die Elektronen zu kontrollieren. “

Ensslin glaubt, dass es möglich sein wird, die Eignung eines Graphen-Quantenpunkts für spinbasiertes Quantencomputing zu testen, wenn dies in einigen Jahren der Fall sein wird. "Es gibt keinen fundamentalen Grund, warum es nicht funktionieren sollte."

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