首次创造出新量子点，同心量子点环诞生，量子计算机又将再突破！

来源：中科院半导体所

科学家首次创造并拍摄了一对新的量子点，即受限电荷的微小岛屿，其行为就像相互作用的人造原子。这种“耦合”量子点可以作为一个稳定的量子比特，量子比特是量子计算机的基本信息单位。此外，目前的量子物理模型，还不能完全解释量子点的电荷模式，这为研究材料中丰富的新物理现象提供了机会。与经典计算机不同的是，传统计算机依赖于只有两个固定值中的二进制比特来存储内存“1”或“0”。

而量子计算机将以量子比特的形式存储和处理信息，量子比特可以同时具有多个值。因此，它们可以执行比经典位更大、更复杂的操作，并且有可能彻底改变计算。电子围绕单个量子点的中心运行方式，与它们围绕原子运行的方式相似。带电粒子只能占据特定能级。在每个能级，一个电子可以占据点中一系列可能的位置，追踪出其形状由量子理论规则决定的轨道。一对耦合的量子点可以在它们之间共享一个电子，形成一个量子比特。

为了制造量子点，美国国家标准与技术研究所（NIST）领导的团队，包括来自马里兰大学纳米中心和日本国家材料科学研究所的研究人员，使用了扫描隧道显微镜(STM)的尖端，就像使用蚀刻A草图的触笔一样。研究人员将尖端悬停在超冷的石墨烯薄片（单层碳原子呈蜂窝状排列）上方，短暂地提高了尖端的电压。

电压脉冲产生的电场通过石墨烯渗透到底层氮化硼中，在那里它将电子从层中的原子杂质中剥离出来，并产生了堆积的电荷。堆积将自由漂浮的电子聚集在石墨烯中，将它们限制在一个微小的能量阱中。但当研究小组施加4到8特斯拉的磁场（大约是小棒磁铁强度的400到800倍）时，它戏剧性地改变了电子可能占据的轨道的形状和分布。

电子现在不再是单一的井，而是驻留在原始井内两组同心、间隔很近的环中，由一个小的空壳隔开。电子的两组环，现在的行为就像是弱耦合的量子点一样。国家标准与技术研究所（NIST）合著者丹尼尔·沃克普(Daniel Walkup)指出：这是研究人员首次如此深入地探测耦合量子点系统的内部，以原子分辨率成像电子的分布。

为了拍摄该系统的高分辨率图像和光谱，研究小组利用了量子点的大小和轨道电子占据能级间距之间的特殊关系：量子点越小，间距就越大，而且更容易区分相邻的能级。在之前使用石墨烯进行的量子点研究中，研究小组施加了较小的磁场，发现了一种环的结构，类似于婚礼蛋糕，以单个量子点为中心，这就是同心量子点环的起源。

通过使用扫描隧道显微镜(STM)尖端构建的直径，约为之前研究点的一半（100纳米），研究人员成功地揭示了耦合系统的完整结构。该团队包括来自NIST和马里兰州纳米中心的Walkup、Fereshte Ghahari、Christopher Gutiérrez和Joseph Strocero，其研究成果发表在《物理评论B》期刊上。两个耦合点之间共享电子的方式，不能用公认的量子点物理模型来解释，如果耦合量子点最终要用作量子计算中的量子比特，这个难题可能是需要解决的重要问题。