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Pontos quânticos em semicondutores, como silício ou arsenieto de gálio, há muito são considerados candidatos quentes para hospedar bits quânticos em futuros processadores quânticos. Cientistas da Forschungszentrum Jülich e da RWTH Aachen University mostraram agora que o grafeno bicamada tem ainda mais a oferecer aqui do que outros materiais. Os pontos quânticos duplos que eles criaram são caracterizados por uma simetria elétron-buraco quase perfeita que permite um mecanismo robusto de leitura – um dos critérios necessários para a computação quântica. Os resultados foram publicados na revista Natureza.
O desenvolvimento de qubits de spin semicondutores robustos pode ajudar na realização de computadores quânticos de grande escala no futuro. No entanto, os atuais sistemas de qubit baseados em pontos quânticos ainda estão em sua infância. Em 2022, pesquisadores da QuTech na Holanda conseguiram criar 6 qubits de spin baseados em silício pela primeira vez. Com o grafeno, ainda há um longo caminho a percorrer. O material, que foi isolado pela primeira vez em 2004, é altamente atraente para muitos cientistas. Mas a realização do primeiro bit quântico ainda está por vir.
“O grafeno bicamada é um semicondutor único”, explica o Prof. Christoph Stampfer do Forschungszentrum Jülich e da RWTH Aachen University. “Ele compartilha várias propriedades com o grafeno de camada única e também possui alguns outros recursos especiais. Isso o torna muito interessante para tecnologias quânticas”.
Uma dessas características é que ele possui um bandgap que pode ser sintonizado por um campo elétrico externo de zero a cerca de 120 mili-elétron-volt. O intervalo de banda pode ser usado para confinar os portadores de carga em áreas individuais, os chamados pontos quânticos. Dependendo da voltagem aplicada, eles podem capturar um único elétron ou sua contraparte, um buraco – basicamente um elétron ausente na estrutura de estado sólido. A possibilidade de usar a mesma estrutura de porta para capturar elétrons e buracos é uma característica que não tem contrapartida em semicondutores convencionais.
“O grafeno bicamada ainda é um material relativamente novo. Até agora, principalmente experimentos que já foram realizados com outros semicondutores foram realizados com ele. Nosso experimento atual agora vai muito além disso pela primeira vez”, diz Christoph Stampfer. Ele e seus colegas criaram o chamado ponto quântico duplo: dois pontos quânticos opostos, cada um contendo um elétron e um buraco cujas propriedades de spin se espelham quase perfeitamente.
Ampla gama de aplicações
“Essa simetria tem duas consequências notáveis: é quase perfeitamente preservada mesmo quando elétrons e buracos são separados espacialmente em diferentes pontos quânticos”, disse Stampfer. Esse mecanismo pode ser usado para acoplar qubits a outros qubits em uma distância maior. E mais, “a simetria resulta em um mecanismo de bloqueio muito robusto que pode ser usado para ler o estado de rotação do ponto com alta fidelidade”.
“Isso vai além do que pode ser feito em semicondutores convencionais ou qualquer outro sistema de elétrons bidimensionais”, diz o Prof. Fabian Hassler do Instituto JARA de Informação Quântica em Forschungszentrum Jülich e RWTH Aachen University, co-autor do estudo. “A simetria quase perfeita e as fortes regras de seleção são muito atraentes não apenas para qubits operacionais, mas também para a realização de detectores terahertz de partícula única. Além disso, ela se presta ao acoplamento de pontos quânticos de grafeno de camada dupla com supercondutores, dois sistemas nos quais elétrons A simetria de buracos desempenha um papel importante. Esses sistemas híbridos podem ser usados para criar fontes eficientes de pares de partículas emaranhadas ou sistemas topológicos artificiais, levando-nos um passo mais perto de realizar computadores quânticos topológicos.”
Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature. Os dados que suportam os resultados e os códigos usados para a análise estão disponíveis em um repositório do Zenodo. A pesquisa foi financiada, entre outros, pelo programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia (Graphene Flagship) e pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC), bem como pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) como parte da Matter of Light para Computação Quântica (ML4Q) cluster de excelência.
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