利用石墨烯製元件實現高速量子位元讀取之技術

 

刊登日期:2023/8/8
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東北大學的研發團隊製作出採用微小石墨(Graphite)電極的零件與迴路,成功以石墨烯(Graphene)元件實現名為高頻反射量測的高速讀取手法,並實際測出量子傳導狀態。另外透過數值計算,呈現該手法做出的位元讀取之精準度,並展現帶來改變的零件構造。

石墨烯由於優異的物性、量子力學狀態下的長壽命等優勢,可望做為量子電腦的基本元素—量子位元(Quantum Bit)的材料。而讀取量子位元狀態的手法之一是使用量子位元電荷儀,為了一次即高速、精準地測出量子位元的狀態,必須高速地讀取出電荷儀的傳導度,為此採用高頻反射量測法,然而就高頻反射量測技術來說,既有研究多數以半導體量子位元為主。為了實現以高頻反射量測法讀取出量子位元之目的,必須做出滿足下述兩條件之零件與量測迴路:①降低寄生容量,讓高頻訊號能充分施加於零件上。②電荷儀在高感度量子化傳導度附近,成立阻抗(impedance)整合。

新技術採用絕緣矽基板,背閘(Back Gate)極採用了微小石墨烯電極配置於雙層石墨烯正下方之構造,以取代基板電極。接著將製作好的零件裝入共振迴路,測量高頻訊號的反射特性,閘極的施加促使石墨烯的傳導度有所變化,隨著變化反射特性因此可測得明確的變化。此外,亦確認到量子化傳導度附近的反射率為零,符合阻抗整合之條件。當接近這條件時,對比傳導度變化,反射率會有大幅度的變化,因此可實現高感度的讀取。另外,研發團隊亦觀測了與量子點(Quantum Dot)形成相關的電氣傳導現象「庫侖鑽石(Coulomb Diamond)」,證實新技術同樣適用於量子點的傳導量測。

最後,利用測得的傳導.雜訊特性,評鑑新零件做為電荷儀時的讀取精度狀況。結果發現,將電荷儀配置在量子點的正上方或正下方(而非左右側),使兩者靠近至原子等級的距離,讀取速度與精準度呈現大幅度的改善。由此可知電荷儀的垂直配置構造,同時也是積極發揮2D材料本身構造,實現高感度的電荷儀。新技術可望成為石墨烯等的2D材料之量子位元開發、物性探索之基盤,對於量子電腦等次世代零件的開發帶來貢獻。


資料來源: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2023/07/press20230718-01-graphite.html
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