Low-Frequency Charge Noise in Bilayer Graphene Quantum Dots

Auf der Suche nach dem Bau eines Quantencomputers suchen Wissenschaftler nach Materialien, die ein Stück Information, bekannt als Qubit, halten können, ohne dass es zerfällt. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, einen kreiselnden Topf auf einer Nadel im Gleichgewicht zu halten; wenn die Luft zu zugig oder die Oberfläche zu wackelig ist, gerät der Topf ins Schwanken und bleibt stehen. In der mikroskopischen Welt der Quantenphysik wird dieses Schwanken durch unsichtbare elektrische Statik, oder „Rauschen“, verursacht, die die Energieniveaus des Materials durchschüttelt. Jahrelang haben Forscher auf traditionelle Silizium- und Galliumarsenid-Chips zurückgegriffen, um diese Qubits zu erzeugen, aber sie kämpfen ständig gegen diese Statik an. Ein neuer Herausforderer ist aufgetaucht: Bilayer-Graphen. Dieses Material besteht aus nur zwei Schichten von Kohlenstoffatomen, die wie ein Sandwich gestapelt sind. Es ist unglaublich dünn, flexibel und kann mit elektrischen Feldern so gesteuert werden, dass Elektronen in winzigen Käfigen, den sogenannten Quantenpunkten, gefangen werden. Da es so sauber und kontrollierbar ist, verspricht es ein überlegener Ort für Quanteninformationen zu sein, aber nur, wenn es diese Informationen stabil gegen das gleiche elektrische Rauschen halten kann, das ältere Technologien plagt.

Ein Team von Forschern der ETH Zürich machte sich daran zu testen, ob Bilayer-Graphen wirklich bereit für diese Aufgabe ist. Sie bauten winzige Bauteile, in denen Elektronen in diesen Graphen-Käfigen gefangen waren, und lauschten dann genau auf die elektrische Umgebung, um das Rauschen zu messen. Ihr Ziel war es zu sehen, ob das Rauschen in diesem neuen Material schlimmer als in den etablierten Siliziumchips ist oder ob die einzigartige Art und Weise, wie Graphen hergestellt wird, es tatsächlich leiser machen könnte. Sie fanden heraus, dass das Rauchniveau in Bilayer-Graphen genau in der Mitte des Bereichs liegt, der bei den besten traditionellen Halbleiterplattformen beobachtet wird. Die Forscher maßen die Stärke der elektrischen Fluktuationen und fanden einen Medianwert, der Bilayer-Graphen als eine wettbewerbsfähige und lebensfähige Option für den Bau zukünftiger Quantencomputer positioniert.

Um zu verstehen, was sie maßen, muss man sich den Quantenpunkt als eine winzige Insel vorstellen, auf der Elektronen sitzen. Die Energie dieser Elektronen ist nicht fixiert; sie verschiebt sich leicht, wann immer sich eine zufällige elektrische Ladung in der Nähe bewegt. Diese zufälligen Ladungen sind oft in den Materialien um den Punkt herum gefangen und wechseln zwischen zwei Zuständen hin und her. Dieses Wechseln erzeugt ein niederfrequentes Summen, das den empfindlichen Quantenzustand stört. Die Forscher verwendeten eine Methode namens Transportspektroskopie, bei der ein Strom durch das Bauteil geschickt wird und man beobachtet, wie sich der Fluss verändert, während man die Spannung variiert. Durch das Lauschen auf die Fluktuationen in diesem Strom konnten sie das Rauschen kartieren. Sie fanden heraus, dass das Rauschen einem vorhersehbaren Muster folgte und mit zunehmender Frequenz abfiel, was typisch für diese Art von Interferenz ist. Die Stärke dieses Rauschens bei einer Frequenz von einem Hertz wurde mit 1,16 Mikroelektronenvolt pro Wurzel aus Hertz gemessen. Dieser Wert ist nicht der niedrigste, der jemals aufgezeichnet wurde, liegt aber gut in dem Bereich, der für Hochleistungs-Quantenbauteile als akzeptabel gilt, was beweist, dass die Graphen-Plattform nicht von Natur aus fehlerhaft ist.

Das Team stellte dann eine tiefere Frage: Ändert sich das Rauschen, wenn man die Einstellungen des Bauteils ändert? In vielen Systemen könnte das Hinzufügen von mehr Elektronen zum Punkt den Punkt vor äußerem Rauschen abschirmen, oder das Ändern der Form der Falle könnte ihn näher an eine lärmende Quelle bringen. Die Forscher variierten systematisch die Anzahl der Elektronen, die Enge der Falle, die Spannung, die die Elektronen durchtreibt, und sogar die Leistung des Sensors, der den Punkt misst. Überraschenderweise machten keine dieser Änderungen einen reproduzierbaren Unterschied. Ob sie nun viele oder wenige Elektronen hatten oder ob sie den Strom stärker trieben, das Rauschniveau blieb hartnäckig gleich. Dies deutet darauf hin, dass die Quelle des Rauschens nicht etwas ist, das die Forscher leicht abstimmen oder abschirmen können. Es scheint eine fundamentale Eigenschaft der Umgebung des Graphens zu sein, die wahrscheinlich von den Materialschichten stammt, die das Bauteil schützen und steuern, und nicht vom Graphen selbst.

Um absolut sicher zu sein, dass ihre Ergebnisse kein Zufall einer spezifischen Messmethode waren, wiederholten die Wissenschaftler das Experiment auf zwei verschiedene Arten. Zuerst bauten sie ein Bauteil mit zwei Quantenpunkten statt einem, wodurch sie ein Doppelpunkt-System schufen. Sie maßen das Rauschen zwischen diesen zwei Punkten und fanden, dass die Werte konsistent mit den Einzelpunkt-Messungen waren. Zweitens verwendeten sie eine völlig andere Methode, die einen supraleitenden Resonator beinhaltete – eine Art elektrischer Schaltkreis, der mit einer bestimmten Frequenz schwingt –, um das Rauschen zu erfassen, ohne einen Strom durch das Bauteil zu senden. Diese unabhängige Prüfung bestätigte dieselben Rauschpegel. Sie testeten auch eine Version des Bauteils, bei der sie eine Schicht eines anderen Materials, eines Übergangsmetall-Dichalkogenids, hinzufügten, um eine spezifische Art von Wechselwirkung einzuführen, die für das Quantencomputing nützlich ist. Selbst mit dieser zusätzlichen Schicht, die neue Defekte oder Rauschen hätte einführen können, nahm das Ladungsrauschen nicht zu. Dies zeigt, dass die Graphen-Schicht elektrisch ruhig bleibt, selbst wenn sie für komplexere Aufgaben modifiziert wird.

Die Auswirkungen dieser Erkenntnisse sind praktisch und unmittelbar. Da das Rauschen stabil und vergleichbar mit den besten bestehenden Materialien ist, müssen Ingenieure sich keine Sorgen machen, dass die Wahl von Bilayer-Graphen automatisch die Leistung eines Quantencomputers ruiniert. Die Forscher nutzten ihre Rauschmessungen, um abzuschätzen, wie lange ein Quantenbit seinen Zustand halten kann, bevor das Rauschen dazu führt, dass es seine Kohärenz verliert. Sie berechneten, dass für ein ladungsbasiertes Qubit die Information für einige hundert Pikosekunden anhalten würde, ein Zeitrahmen, der mit dem übereinstimmt, was in anderen Materialien beobachtet wurde. Während dies in menschlichen Maßstäben eine sehr kurze Zeit ist, reicht sie für die schnellen Operationen aus, die in der Quantenlogik erforderlich sind. Wichtiger noch ist, dass die Studie darauf hindeutet, dass für Spin- oder Valley-Qubits, die weniger empfindlich auf diese Art von Rauschen reagieren, die Kohärenzzeiten viel länger sein könnten. Die Arbeit bestätigt, dass Bilayer-Graphen eine robuste Plattform ist, bei der die Details darüber, wie das Bauteil gebaut oder abgestimmt wird, die Fähigkeit, Quanteninformationen zu halten, nicht kritisch beeinträchtigen, was der Forschung die Tür offen lässt, sich auf andere Aspekte beim Bau einer funktionierenden Quantenmaschine zu konzentrieren.