荷蘭研究人員首次利用精密電場(chǎng)，成功對(duì)鍺烯納米帶中的拓?fù)淞孔討B(tài)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操控。

量子材料領(lǐng)域近日迎來(lái)一項(xiàng)重大突破。荷蘭研究人員首次證實(shí)，僅憑電場(chǎng)即可直接開(kāi)關(guān)由鍺烯（石墨烯知名度較低的"表親"）制成的超窄帶狀結(jié)構(gòu)中的量子態(tài)。這項(xiàng)研究為構(gòu)建未來(lái)量子計(jì)算機(jī)所需的穩(wěn)定、抗噪聲基礎(chǔ)元件開(kāi)辟了新路徑。

由特文特大學(xué)和烏得勒支大學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)演示了如何通過(guò)調(diào)節(jié)局域電場(chǎng)強(qiáng)度，來(lái)控制僅幾個(gè)原子寬的鍺烯納米帶中出現(xiàn)的"拓?fù)?末端態(tài)的開(kāi)關(guān)。這些末端態(tài)之所以備受關(guān)注，是因?yàn)槠涮烊痪邆淇乖肼曁匦浴@正是量子計(jì)算面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

鍺烯與石墨烯性質(zhì)類似，但其結(jié)構(gòu)由單層鍺原子排列成略帶波紋的二維薄片構(gòu)成。

電場(chǎng)開(kāi)關(guān)突破

當(dāng)鍺烯被切割成極窄帶狀結(jié)構(gòu)（寬度僅2-4個(gè)六邊形晶格）時(shí)，其邊緣會(huì)產(chǎn)生零維拓?fù)鋺B(tài)。研究人員認(rèn)為，這些邊緣態(tài)可作為更穩(wěn)定的量子比特組件，因?yàn)樗鼈儽葌鹘y(tǒng)量子態(tài)能更好地保持量子信息。

在新研究中，團(tuán)隊(duì)將鍺烯納米帶置于掃描隧道顯微鏡下，通過(guò)微調(diào)顯微鏡探針與樣品表面的間距來(lái)調(diào)控局域電場(chǎng)。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增減，量子末端態(tài)會(huì)按照指令消失或重現(xiàn)。

"我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些拓?fù)淠┒藨B(tài)的完全電控，"特文特大學(xué)的埃斯拉·D·范特·韋斯滕德表示，"通過(guò)改變掃描隧道顯微鏡與納米帶的間距來(lái)調(diào)節(jié)局域電場(chǎng)，這使我們能真正實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的開(kāi)啟與關(guān)閉。"

該行為與納米帶寬度密切相關(guān)：在超窄納米帶中，末端態(tài)在弱電場(chǎng)下清晰可見(jiàn)，強(qiáng)電場(chǎng)下則會(huì)消失；而在較寬納米帶中情況相反——增強(qiáng)電場(chǎng)反而會(huì)激活而非抑制拓?fù)鋺B(tài)。烏得勒支大學(xué)理論組建立的模型揭示了這種開(kāi)關(guān)機(jī)制隨納米帶幾何結(jié)構(gòu)變化的原理。

該發(fā)現(xiàn)屬于荷蘭國(guó)家量子材料計(jì)劃（QuMat）的研究成果，該計(jì)劃旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論團(tuán)隊(duì)的緊密協(xié)作設(shè)計(jì)新一代量子材料。研究人員強(qiáng)調(diào)，這種合作模式是取得本成果的關(guān)鍵。

"該項(xiàng)目完美展現(xiàn)了QuMat計(jì)劃的宗旨：實(shí)驗(yàn)與理論團(tuán)隊(duì)攜手為未來(lái)量子設(shè)備設(shè)計(jì)新材料，"特文特大學(xué)的潘特利斯·班普利斯博士評(píng)論道。

邁向穩(wěn)健量子比特

該研究預(yù)示著未來(lái)可能基于拓?fù)浔Ｗo(hù)態(tài)構(gòu)建量子比特，并通過(guò)簡(jiǎn)單電場(chǎng)（而非磁場(chǎng)或復(fù)雜裝置）進(jìn)行操控。這種電控方式對(duì)于將量子硬件擴(kuò)展至集成數(shù)百萬(wàn)量子比特的芯片至關(guān)重要，而當(dāng)前技術(shù)尚難以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

目前這項(xiàng)突破仍屬于基礎(chǔ)研究范疇，但通過(guò)局域電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)鍺烯納米帶量子態(tài)開(kāi)關(guān)的能力，為尋找穩(wěn)定量子構(gòu)建模塊樹(shù)立了重要里程碑。

該研究成果已發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。

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