首次創造出新量子點，同心量子點環誕生，量子計算機又將再突破！

​科學家首次創造並拍攝了一對新的量子點，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”量子點可以作為一個穩定的量子比特，量子比特是量子計算機的基本信息單位。此外，目前的量子物理模型，還不能完全解釋量子點的電荷模式，這為研究材料中豐富的新物理現象提供了機會。與經典計算機不同的是，傳統計算機依賴於只有兩個固定值中的二進制比特來存儲內存“1”或“0”。

而量子計算機將以量子比特的形式存儲和處理信息，量子比特可以同時具有多個值。因此，它們可以執行比經典位更大、更復雜的操作，並且有可能徹底改變計算。電子圍繞單個量子點的中心運行方式，與它們圍繞原子運行的方式相似。帶電粒子只能佔據特定能級。在每個能級，一個電子可以佔據點中一系列可能的位置，追蹤出其形狀由量子理論規則決定的軌道。一對耦合的量子點可以在它們之間共享一個電子，形成一個量子比特。

為了製造量子點，美國國家標準與技術研究所（NIST）領導的團隊，包括來自馬里蘭大學納米中心和日本國家材料科學研究所的研究人員，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。電壓脈衝產生的電場通過石墨烯滲透到底層氮化硼中，在那裏它將電子從層中的原子雜質中剝離出來，併產生了堆積的電荷。

堆積將自由漂浮的電子聚集在石墨烯中，將它們限制在一個微小的能量阱中。但當研究小組施加4到8特斯拉的磁場（大約是小棒磁鐵強度的400到800倍）時，它戲劇性地改變了電子可能佔據的軌道的形狀和分佈。電子現在不再是單一的井，而是駐留在原始井內兩組同心、間隔很近的環中，由一個小的空殼隔開。電子的兩組環，現在的行為就像是弱耦合的量子點一樣。國家標準與技術研究所（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耦合量子點系統的內部，以原子分辨率成像電子的分佈。為了拍攝該系統的高分辨率圖像和光譜，研究小組利用了量子點的大小和軌道電子佔據能級間距之間的特殊關係：量子點越小，間距就越大，而且更容易區分相鄰的能級。在之前使用石墨烯進行的量子點研究中，研究小組施加了較小的磁場，發現了一種環的結構，類似於婚禮蛋糕，以單個量子點為中心，這就是同心量子點環的起源。

通過使用掃描隧道顯微鏡(STM)尖端構建的直徑，約為之前研究點的一半（100納米），研究人員成功地揭示了耦合系統的完整結構。該團隊包括來自NIST和馬里蘭州納米中心的Walkup、Fereshte Ghahari、Christopher Gutiérrez和Joseph Strocero，其研究成果發表在《物理評論B》期刊上。兩個耦合點之間共享電子的方式，不能用公認的量子點物理模型來解釋，如果耦合量子點最終要用作量子計算中的量子比特，這個難題可能是需要解決的重要問題。

博科園｜研究/來自：美國國家標準與技術研究所

參考期刊：《物理評論B》

DOI: 10.1103/PhysRevB.101.035428

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