科學(xué)家首次創(chuàng)造并拍攝了一對(duì)新的量子點(diǎn)，即受限電荷的微小島嶼，其行為就像相互作用的人造原子。這種“耦合”量子點(diǎn)可以作為一個(gè)穩(wěn)定的量子比特，量子比特是量子計(jì)算機(jī)的基本信息單位。

此外，目前的量子物理模型，還不能完全解釋量子點(diǎn)的電荷模式，這為研究材料中豐富的新物理現(xiàn)象提供了機(jī)會(huì)。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同的是，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)依賴于只有兩個(gè)固定值中的二進(jìn)制比特來(lái)存儲(chǔ)內(nèi)存“1”或“0”。

而量子計(jì)算機(jī)將以量子比特的形式存儲(chǔ)和處理信息，量子比特可以同時(shí)具有多個(gè)值。因此，它們可以執(zhí)行比經(jīng)典位更大、更復(fù)雜的操作，并且有可能徹底改變計(jì)算。電子圍繞單個(gè)量子點(diǎn)的中心運(yùn)行方式，與它們圍繞原子運(yùn)行的方式相似。帶電粒子只能占據(jù)特定能級(jí)。在每個(gè)能級(jí)，一個(gè)電子可以占據(jù)點(diǎn)中一系列可能的位置，追蹤出其形狀由量子理論規(guī)則決定的軌道。一對(duì)耦合的量子點(diǎn)可以在它們之間共享一個(gè)電子，形成一個(gè)量子比特。

為了制造量子點(diǎn)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，包括來(lái)自馬里蘭大學(xué)納米中心和日本國(guó)家材料科學(xué)研究所的研究人員，使用了掃描隧道顯微鏡(STM)的尖端，就像使用蝕刻A草圖的觸筆一樣。研究人員將尖端懸停在超冷的石墨烯薄片（單層碳原子呈蜂窩狀排列）上方，短暫地提高了尖端的電壓。電壓脈沖產(chǎn)生的電場(chǎng)通過(guò)石墨烯滲透到底層氮化硼中，在那里它將電子從層中的原子雜質(zhì)中剝離出來(lái)，并產(chǎn)生了堆積的電荷。

堆積將自由漂浮的電子聚集在石墨烯中，將它們限制在一個(gè)微小的能量阱中。但當(dāng)研究小組施加4到8特斯拉的磁場(chǎng)（大約是小棒磁鐵強(qiáng)度的400到800倍）時(shí)，它戲劇性地改變了電子可能占據(jù)的軌道的形狀和分布。電子現(xiàn)在不再是單一的井，而是駐留在原始井內(nèi)兩組同心、間隔很近的環(huán)中，由一個(gè)小的空殼隔開。電子的兩組環(huán)，現(xiàn)在的行為就像是弱耦合的量子點(diǎn)一樣。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）合著者丹尼爾·沃克普(Daniel Walkup)指出：

這是研究人員首次如此深入地探測(cè)耦合量子點(diǎn)系統(tǒng)的內(nèi)部，以原子分辨率成像電子的分布。為了拍攝該系統(tǒng)的高分辨率圖像和光譜，研究小組利用了量子點(diǎn)的大小和軌道電子占據(jù)能級(jí)間距之間的特殊關(guān)系：量子點(diǎn)越小，間距就越大，而且更容易區(qū)分相鄰的能級(jí)。在之前使用石墨烯進(jìn)行的量子點(diǎn)研究中，研究小組施加了較小的磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)了一種環(huán)的結(jié)構(gòu)，類似于婚禮蛋糕，以單個(gè)量子點(diǎn)為中心，這就是同心量子點(diǎn)環(huán)的起源。

通過(guò)使用掃描隧道顯微鏡(STM)尖端構(gòu)建的直徑，約為之前研究點(diǎn)的一半（100納米），研究人員成功地揭示了耦合系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)包括來(lái)自NIST和馬里蘭州納米中心的Walkup、Fereshte Ghahari、Christopher Gutiérrez和Joseph Strocero，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論B》期刊上。兩個(gè)耦合點(diǎn)之間共享電子的方式，不能用公認(rèn)的量子點(diǎn)物理模型來(lái)解釋，如果耦合量子點(diǎn)最終要用作量子計(jì)算中的量子比特，這個(gè)難題可能是需要解決的重要問(wèn)題。

博科園｜研究/來(lái)自：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所

參考期刊：《物理評(píng)論B》

DOI: 10.1103/PhysRevB.101.035428

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