石墨烯谷州万岁

在量子计算中，关于什么物理系统以及该系统内的哪些自由度可用于编码信息的量子位(简而言之，量子位)的问题是许多物理学研究项目的核心和工程实验室。超导量子位、自旋量子位和捕获离子运动编码的量子位已被广泛认为是量子计算机未来实际应用的主要候选者;其他系统需要更好地理解，从而为基础研究提供刺激的基础。

Rebekka Garreis、Chuyao Tong、Wister Huang 以及苏黎世联邦理工学院物理系 Klaus Ensslin 和 Thomas Ihn 教授团队的同事一直在研究双层石墨烯 (BLG) 量子点，该量子点被称为自旋量子位的潜在平台，找出是否可以使用 BLG 的另一个自由度来编码量子信息。他们与日本国家材料科学研究所的合作者刚刚在《自然物理学》上发表的最新研究结果表明，BLG 中所谓的谷自由度与寿命极长的量子态有关，因此值得进一步考虑作为固态量子计算的额外资源。

一切都在晶格结构中

石墨烯是一种二维材料，由结合在六方晶格结构中的单层碳原子组成。它片状的外观具有欺骗性，因为石墨烯是地球上最坚固的材料之一。其机械和电子性能引起了许多工业部门的极大兴趣。在研究人员使用的双层石墨烯系统中，两片碳原子彼此叠置。石墨烯和 BLG 都是半金属，因为它们缺乏半导体(尤其是绝缘体)中的特征能带隙。尽管如此，通过垂直于片材平面施加电场，可以在 BLG 中设计可调带隙。

打开带隙对于使用 BLG 作为量子点的主体材料是必要的，量子点是能够限制单个或几个电子的纳米级“盒子”。量子点通常由半导体基质材料制成，可对单个电子提供出色的控制。因此，它们是自旋量子位的重要平台，自旋量子位是量子信息以电子自旋自由度编码的系统。

由于量子信息比经典量子信息更容易被周围环境破坏，因此变得不适合计算任务，因此研究不同量子位候选的研究人员必须表征它们的相干性：这些告诉他们相干性如何以及如何进行。长量子信息可以在他们的量子比特系统中保存。在大多数传统量子点中，电子自旋退相干可能是由自旋轨道相互作用引起的，这会在电子自旋和主晶格振动之间引入不必要的耦合，以及电子自旋和周围核自旋之间的超精细相互作用。在石墨烯以及其他碳基材料中，自旋轨道耦合和超精细相互作用都很弱：这使得石墨烯量子点对于自旋量子位特别有吸引力。Garreis、Tong 和合著者报告的结果为这幅图画增添了一个更有希望的方面。

BLG 的六方晶格可以使用特定的显微镜技术进行成像。在这个所谓的实空间中观察到的六角对称性也存在于动量空间中，其中晶格的顶点并不对应于碳原子的空间位置，而是对应于与晶格上的自由电子相关的动量值。在动量空间中，自由电子存​​在于能量景观的局部最小值和最大值处，即导带和价带相遇的点。这些能量极值称为谷值。在 BLG 中，六角对称性决定了存在两个简并能谷(即，以相同的电子能量为特征)，对应于相反的电子动量值。这个谷自由度的处理方式与 BLG 中的电子自旋非常相似——事实上，石墨烯中的谷通常称为赝自旋。虽然双层石墨烯中的谷态以前是已知的，但迄今为止它们作为实用量子位的适用性仍不清楚。

山谷里有很多希望

Garreis、Tong 及其同事考虑了 BLG 中的双量子点(即两个具有可调耦合的点)，并测量了谷态和自旋态的弛豫时间。弛豫时间设定了系统从一种谷态或自旋态转变到另一种谷态或自旋态的时间尺度，并且由于弛豫过程，系统会损失能量并变得不适合进一步的量子位操作。研究小组发现谷态的弛豫时间超过半秒，这一结果表明未来谷量子位具有良好的相干性。BLG 双量子点中的自旋弛豫时间测量给出的值低于 25 ms，这比谷态的弛豫时间短得多，但与半导体量子点中测量的自旋弛豫时间非常一致。重要的，

在论文中，研究人员还强调了需要进一步实验和理论研究的方面。他们提供的数据显示了自旋态和谷态的弛豫时间对两个参数的依赖性，这两个参数预计在态的弛豫动力学中发挥作用。一个参数是能量失谐：这是双量子点的两种不同配置的基态之间的能量差。改变失谐意味着作用于弛豫过程中涉及的状态之间的能量差。另一个参数称为点间耦合，决定一个量子点中的电子“侵入”另一个量子点领域的难易程度。作者报告了无法通过量子点自旋量子位中通常起作用的机制来解释的行为。弛豫时间随着能量失谐的增加而增加，这与其他系统中的观察结果不符。值得注意的是，改变点间耦合不会影响谷弛豫时间。

显然，需要更全面地了解影响谷和自旋弛豫时间的机制，以确定哪些变量最适合操纵未来的谷量子位。与此同时，Garreis、Tong 及其合作者提出的研究结果为将 BLG 量子点中的谷态添加到固态量子计算领域提供了理由。

来源: Materials provided by ETH Zurich. Original written by Gaia Donati.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Rebekka Garreis, Chuyao Tong, Jocelyn Terle, Max Josef Ruckriegel, Jonas Daniel Gerber, Lisa Maria Gächter, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Thomas Ihn, Klaus Ensslin, Wei Wister Huang. Long-lived valley states in bilayer graphene quantum dots. Nature Physics, 2024; DOI: 10.1038/s41567-023-02334-7