Электроны, заключенные в «тюрьму» крошечной квантовой ловушки, ведут себя совершенно по иному, нежели их свободные собратья. Они могут находиться только на строго определенных энергетических уровнях (в квантовых состояниях), подобно электронам оболочек атома, именно по этой причине такие электронные ловушки называют искусственными атомами. Эти искусственные атомы, в свою очередь, обладают рядом свойств, как совпадающими со свойствами обычных атомов, так и уникальных свойств, которые делают их необычайно полезными для применения в различных областях, в частности, в области квантовых вычислений. И эти уникальные свойства проявляются с наибольшей силой у искусственного атома, изготовленного на базе графена учеными из венского Технологического университета, Австрия, института RWTH Ахен, Германия, и Манчестерского университета, Великобритания.
Искусственные атомы, создаваемые в материалах наподобие арсенида галлия, обладают способностью находиться только в двух энергетических состояниях. Однако, графеновые искусственные атомы, за счет высокого уровня симметрии кристаллической решетки графена, могут находиться в четырех квантовых состояниях. Это открывает новые пути для реализации технологий хранения и обработки квантовой информации, однако, дело создания контролируемых в достаточной степени графеновых искусственных атомов является весьма и весьма сложным занятием.
Одним из распространенных путей создания искусственных атомов является заключение свободного электрона внутри тонкого слоя материала. Такой подход работает и в отношении графена, материала, изначально имеющего одноатомную толщину. Однако, симметрия кристаллической решетки графена нарушается на краях этого материала, которые не могут быть абсолютно гладкими по определению. И это становится причиной, что вместо четырех, графеновый искусственный атом может находиться в обычных двух квантовых состояниях.
Поэтому путь заключения электронов внутри маленьких частиц плоской графеновой пленки не очень подходит для создания графеновых искусственных атомов. Для этого более подходит использование комбинации магнитных и электрических полей. При помощи наконечника туннельного микроскопа электрическое поле может быть сосредоточено в крошечной локальной области поверхности графена, создавая ловушку, способную удерживать низкоэнергетические электроны. А воздействие магнитного поля с определенными параметрами заставляет эти электроны вращаться по орбитам с очень малым радиусом.
Графеновые искусственные атомы демонстрируют ряд достаточно неординарных свойств. Электроны этих атомов сохраняются в состоянии квантовой суперпозиции в течение длительного промежутка времени, что делает их идеальным вариантом для работы в качестве квантовых битов, кубитов, квантовых вычислительных систем. Помимо этого, используя один и тот же метод можно создавать сколь угодно большое количество искусственных атомов на кристалле одного чипа, что позволит создавать квантовые процессоры, насчитывающие сколь угодно большое количество кубитов и обладающие поистине неограниченной вычислительной мощностью.
Источник:
