科學家打造「雙層」石墨烯量子點，兼顧擴展性與容錯性的精密量子電腦即將到來

研究員正深入研究雙層石墨烯（graphene）製成量子點（Quantum Dots，QD）的獨特現象及可用性，打開量子運算更廣泛應用的大門。尤其自旋量子位元（Spin Qbit）主體的石墨烯量子點，可利用電子和電洞（electron and hole）量子點促進長程耦合，讓基於固態自旋量子位元的量子運算平台愈來愈受青睞，不久後就能打造更具擴展性、容錯性與精密的量子電腦。

量子點是有電子特性且如原子大小的微型晶粒半導體，量子點的電子能激發成一系列量子化能階（energy levels）。這方面很像原子，但與傳統固體電子會激發成導帶（conduction band）不同，正因如此，可透過調整量子點大小和形狀微調。

石墨烯是由一層碳原子構成的薄片，量子點可由極小片石墨烯製成。德國亞琛工業大學（RWTH Aachen University）研究團隊展示如何在雙層石墨烯量子點結構某層納入電子，並在另一層納入電洞（又稱空穴或電子孔，為電子激發時在半導體產生類似粒子的實體）。觀測到重要且獨特的現象，亦即兩個實體的自旋態（spin state）幾乎是彼此的完美鏡像。

石墨烯量子點可利用電子和電洞量子點實現長程耦合

石墨烯量子點的極具潛力應用就是建立量子位元，亦即以電子自旋態儲存量子資訊。2007 年首次發現的石墨烯量子點，是在當成自旋量子位元的有趣主體後開始受矚目，最大突破就是可用電子和電洞量子點促進長程耦合（long-range coupling），為基於固態自旋量子位元的量子運算平台發展奠立基礎。

如今研究團隊製造雙層石墨烯量子點為更深研究締造新里程碑，由於每層都可當成單獨量子點，並與另一層對應量子點密切互動。當施加外部電壓，雙層石墨烯可困住電子和電洞，形成獨特閘極結構。不僅如此，團隊還致力降低雙層石墨烯分子結構的無序性。

超越當前量子點材料能耐的量子點元件將現身

早在 2018 年，這種閘極結構機制首次成功利用雙層石墨烯之中獨特的電場誘發能隙（band gap）來限制單載子（single charge carrier）。如今，透過進一步提高閘極的可調性，將有可能製造出超越當前量子點材料（包括矽、鍺或砷化鎵）能耐的量子點元件。

「雙層」石墨烯結構還具備一個關鍵優勢，那就是量子點電子和電洞的自旋態特性，研究團隊透過實際實驗發現，其中一個石墨烯層中個別電子和電洞的狀態幾乎是另一層電子和電洞對的完美映射。研究團隊並發現，雙層石墨烯電子/電洞雙量子點具有幾乎完美的粒子／電洞對稱性（particle-hole symmetry），這讓透過具有相反量子數之單個「電子／電洞對」的產生和湮滅來進行傳輸成為可行。

上述研究成果能將今後彼此相隔更遠的量子位元耦合在一起，同時更可靠地讀出它們的自旋對稱態，進而開發出兼具擴展性、容錯性與精密性的量子電腦。不僅如此，研究團並且認為未來雙層石墨烯量子點有可能為兆赫波的奈米級探測器應用提供基礎，甚至可與超導體耦合，進而為「糾纏粒子對」建立有效來源。