Low-Frequency Charge Noise in Bilayer Graphene Quantum Dots

Nella ricerca di un computer quantistico, gli scienziati stanno cercando materiali che possano contenere un frammento di informazione, noto come qubit, senza che questo si sfaldi. Immaginate di cercare di tenere in equilibrio una trottola su uno spillo; se l'aria è troppo ventilata o la superficie troppo instabile, la trottola traballa e si ferma. Nel mondo microscopico della fisica quantistica, questo traballamento è causato da un'elettricità statica invisibile, o "rumore", che scuote i livelli energetici del materiale. Per anni, i ricercatori si sono affidati ai tradizionali chip in silicio e arseniuro di gallio per creare questi qubit, ma combattono costantemente contro questo statico. Un nuovo contendente è emersso: il grafene bilayer. Questo materiale consiste in appena due fogli di atomi di carbonio impilati come un sandwich. È incredibilmente sottile, flessibile e può essere sintonizzato con campi elettrici per intrappolare gli elettroni in piccole gabbie chiamate punti quantici. Poiché è così pulito e controllabile, promette di essere una casa superiore per l'informazione quantistica, ma solo se riesce a mantenere tale informazione stabile contro lo stesso rumore elettrico che affligge le tecnologie più vecchie.

Un team di ricercatori dell'ETH Zurigo si è posto l'obiettivo di testare se il grafene bilayer sia davvero pronto per questo compito. Hanno costruito piccoli dispositivi dove gli elettroni erano intrappolati in queste gabbie di grafene e poi hanno ascoltato attentamente l'ambiente elettrico per misurare il rumore. Il loro obiettivo era vedere se il rumore in questo nuovo materiale fosse peggiore rispetto ai consolidati chip di silicio, o se l'unico modo in cui il grafene viene fabbricato potesse effettivamente renderlo più silenzioso. Hanno scoperto che il livello di rumore nel grafene bilayer si trova proprio nel mezzo dell'intervallo osservato nelle migliori piattaforme di semiconduttori tradizionali. I ricercatori hanno misurato la forza delle fluttuazioni elettriche e hanno trovato un valore mediano che posiziona il grafene bilayer come un'opzione competitiva e vitale per la costruzione di futuri computer quantistici.

Per capire cosa stessero misurando, bisogna immaginare il punto quantico come una minuscola isola dove siedono gli elettroni. L'energia di questi elettroni non è fissa; si sposta leggermente ogni volta che una carica elettrica errante nelle vicinanze si muove. Queste cariche erranti sono spesso intrappolate nei materiali che circondano il punto, oscillando avanti e indietro tra due stati. Questo scambio crea un ronzio a bassa frequenza che interrompe il delicato stato quantistico. I ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato spettroscopia di trasporto, che consiste nell'inviare una corrente attraverso il dispositivo e osservare come il flusso cambi mentre modulano la tensione. Ascoltando le fluttuazioni in questa corrente, sono riusciti a mappare il rumore. Hanno scoperto che il rumore seguiva un modello prevedibile, diminuendo all'aumentare della frequenza, il che è tipico per questo tipo di interferenza. La forza di questo rumore a una frequenza di un hertz è stata misurata in 1,16 microelettronvolt per radice quadrata di hertz. Questo numero non è il più basso mai registrato, ma rientra ampiamente nell'intervallo considerato accettabile per dispositivi quantistici ad alte prestazioni, dimostrando che la piattaforma del grafene non è intrinsecamente difettosa.

Il team ha poi posto una domanda più profonda: il rumore cambia se si modificano le impostazioni del dispositivo? In molti sistemi, aggiungere più elettroni al punto potrebbe schermarlo dal rumore esterno, o cambiare la forma della trappola potrebbe spostarlo più vicino a una fonte rumorosa. I ricercatori hanno variato sistematicamente il numero di elettroni, la compattezza della trappola, la tensione che spinge gli elettroni attraverso il dispositivo e persino la potenza utilizzata dal sensore che misura il punto. Sorprendentemente, nessuno di questi cambiamenti ha prodotto una differenza riproducibile. Che avessero molti o pochi elettroni, o che spingessero la corrente con più forza, il livello di rumore rimaneva ostinatamente lo stesso. Ciò suggerisce che la fonte del rumore non sia qualcosa che i ricercatori possano facilmente regolare o schermare. Sembra essere una proprietà fondamentale dell'ambiente circostante il grafene, proveniente probabilmente dagli strati di materiale utilizzati per proteggere e controllare il dispositivo, piuttosto che dal grafene stesso.

Per essere assolutamente certi che i loro risultati non fossero un caso fortuito di una specifica tecnica di misurazione, gli scienziati hanno ripetuto l'esperimento in due modi diversi. In primo luogo, hanno costruito un dispositivo con due punti quantici invece di uno, creando un sistema a doppio punto. Hanno misurato il rumore tra questi due punti e hanno trovato che i livelli erano coerenti con le misurazioni del singolo punto. In secondo luogo, hanno utilizzato un metodo completamente diverso che coinvolgeva un risonatore superconduttore, un tipo di circuito elettrico che vibra a una frequenza specifica, per rilevare il rumore senza inviare corrente attraverso il dispositivo. Questo controllo indipendente ha confermato gli stessi livelli di rumore. Hanno anche testato una versione del dispositivo in cui avevano aggiunto uno strato di un materiale diverso, un dicalcogenuro di metallo di transizione, per introdurre un tipo specifico di interazione utile per l'informatica quantistica. Anche con questo strato extra, che avrebbe potuto introdurre nuovi difetti o rumore, il rumore di carica non è aumentato. Ciò indica che lo strato di grafene rimane elettricamente silenzioso anche quando viene modificato per compiti più complessi.

Le implicazioni di queste scoperte sono pratiche e immediate. Poiché il rumore è stabile e paragonabile ai migliori materiali esistenti, gli ingegneri non devono preoccuparsi che la scelta del grafene bilayer comprometta automaticamente le prestazioni di un computer quantistico. I ricercatori hanno utilizzato le loro misurazioni del rumore per stimare quanto tempo un bit quantistico possa mantenere il suo stato prima che il rumore ne causi la perdita di coerenza. Hanno calcolato che, per un qubit basato sulla carica, l'informazione durerebbe per alcune centinaia di picosecondi, un intervallo temporale che si allinea con quanto osservato in altri materiali. Sebbene questo sia un tempo molto breve in termini umani, è sufficiente per le operazioni rapide richieste nella logica quantistica. Più importante ancora, lo studio suggerisce che per i qubit di spin o di valle, che sono meno sensibili a questo tipo di rumore, i tempi di coerenza potrebbero essere molto più lunghi. Il lavoro conferma che il grafene bilayer è una piattaforma robusta in cui i dettagli di come il dispositivo viene costruito o sintonizzato non compromettono criticamente la sua capacità di trattenere l'informazione quantistica, lasciando la porta aperta ai ricercatori affinché possano concentrarsi su altri aspetti della costruzione di una macchina quantistica funzionante.