Low-Frequency Charge Noise in Bilayer Graphene Quantum Dots

In de zoektocht naar het bouwen van een kwantumcomputer zoeken wetenschappers naar materialen die een stukje informatie, een qubit genoemd, kunnen vasthouden zonder dat het uit elkaar valt. Stel je voor dat je probeert een tol in balans te houden op een naald; als de lucht te tochtig is of het oppervlak te trillerig, wiebelt de top en stopt hij met draaien. In de microscopische wereld van de kwantumfysica wordt dit wiebelen veroorzaakt door onzichtbare elektrische statische elektriciteit, of "ruis", die de energieniveaus van het materiaal doet trillen. Jarenlang hebben onderzoekers vertrouwd op traditionele silicium- en galliumarsenidechips om deze qubits te creëren, maar ze vechten voortdurend tegen deze statische elektriciteit. Een nieuwere uitdager is opgekomen: dubbellaagse grafeen. Dit materiaal bestaat uit slechts twee lagen koolstofatomen die op elkaar gestapeld zijn als een sandwich. Het is ongelooflijk dun, flexibel en kan worden afgestemd met elektrische velden om elektronen te vangen in piepkleine kooien die kwantumdots worden genoemd. Omdat het zo schoon en controleerbaar is, belooft het een superieur huis te zijn voor kwantuminformatie, maar alleen als het die informatie stabiel kan houden tegen dezelfde elektrische ruis die oudere technologieën teistert.

Een team onderzoekers aan de ETH Zürich zette zich af om te testen of dubbellaagse grafeen werkelijk klaar is voor deze taak. Ze bouwden minuscule apparaten waarin elektronen gevangen waren in deze grafeenkooien en luisterden vervolgens nauwgezet naar de elektrische omgeving om de ruis te meten. Hun doel was om te zien of de ruis in dit nieuwe materiaal erger was dan in de gevestigde siliciumchips, of dat de unieke manier waarop grafeen wordt gemaakt het juist stiller zou kunnen maken. Ze ontdekten dat het ruisniveau in dubbellaagse grafeen precies in het midden ligt van het bereik dat wordt gezien bij de beste traditionele halfgeleiderplatforms. De onderzoekers maten de sterkte van de elektrische fluctuaties en vonden een mediaanwaarde die dubbellaagse grafeen positioneert als een concurrerende en levensvatbare optie voor het bouwen van toekomstige kwantumcomputers.

Om te begrijpen wat ze aan het meten waren, moet men de kwantumdot voorstellen als een klein eilandje waar elektronen op zitten. De energie van deze elektronen is niet vast; deze verschuift licht wanneer een nabijgelegen willekeurige elektrische lading beweegt. Deze willekeurige ladingen zitten vaak gevangen in de materialen rondom de dot en schakelen heen en weer tussen twee toestanden. Dit schakelen creëert een laagfrequent gezoem dat de delicate kwantumtoestand verstoort. De onderzoekers gebruikten een methode genaand transportspectroscopie, wat inhoudt dat er een stroom door het apparaat wordt gestuurd en men observeert hoe de stroom verandert terwijl men de spanning aanpast. Door naar de fluctuaties in deze stroom te luisteren, konden ze de ruis in kaart brengen. Ze ontdekten dat de ruis een voorspelbaar patroon volgde, waarbij de ruis afnam naarmate de frequentie toenam, wat typerend is voor dit soort interferentie. De sterkte van deze ruis bij een frequentie van één hertz werd gemeten op 1,16 micro-elektronvolt per wortel uit hertz. Dit getal is niet het laagste ooit gemeten, maar het valt ruim binnen het bereik dat als acceptabel wordt beschouwd voor hoogwaardige kwantumapparaten, wat bewijst dat het grafeenplatform niet inherent gebrekkig is.

Het team stelde vervolgens een diepere vraag: verandert de ruis als je de instellingen van het apparaat aanpast? In veel systemen kan het toevoegen van meer elektronen aan de dot het beschermen tegen externe ruis, of kan het veranderen van de vorm van de val het dichter bij een lawaaierige bron brengen. De onderzoekers varieerden systematisch het aantal elektronen, de strakheid van de val, de spanning die de elektronen door het apparaat duwt, en zelfs het vermogen dat door de sensor wordt gebruikt die de dot meet. Verrassend genoeg maakte geen van deze veranderingen een reproduceerbaar verschil. Of ze nu veel of weinig elektronen hadden, of of ze de stroom harder duwden, het ruisniveau bleef onveranderlijk hetzelfde. Dit suggereert dat de bron van de ruis niet iets is dat de onderzoekers gemakkelijk kunnen afstemmen of waarvoor ze zich kunnen afschermen. Het lijkt een fundamentele eigenschap te zijn van de omgeving rondom het grafeen, waarschijnlijk afkomstig van de lagen materiaal die worden gebruikt om het apparaat te beschermen en te besturen, in plaats van van het grafeen zelf.

Om er absoluut zeker van te zijn dat hun resultaten geen toevalstreffer waren van een specifieke meettechniek, herhaalden de wetenschappers het experiment op twee verschillende manieren. Eerst bouwden ze een apparaat met twee kwantumdots in plaats van één, waardoor een dubbel-dot systeem ontstond. Ze maten de ruis tussen deze twee dots en vonden dat de niveaus consistent waren met de single-dot metingen. Ten tweede gebruikten ze een volledig andere methode die betrokken was bij een supergeleidende resonator, een type elektrisch circuit dat trilt op een specifieke frequentie, om de ruis te detecteren zonder een stroom door het apparaat te sturen. Deze onafhankelijke controle bevestigde dezelfde ruisniveaus. Ze testten ook een versie van het apparaat waarbij ze een laag van een ander materiaal toevoegden, een overgangsmetaaldichalcogenide, om een specifiek type interactie te introduceren die nuttig is voor kwantumcomputing. Zelfs met deze extra laag, die nieuwe defecten of ruis had kunnen introduceren, nam de ladingruis niet toe. Dit geeft aan dat de grafeenlaag elektrisch stil blijft, zelfs wanneer deze wordt aangepast voor complexere taken.

De implicaties van deze bevindingen zijn praktisch en direct. Omdat de ruis stabiel en vergelijkbaar is met de beste bestaande materialen, hoeven ingenieurs zich geen zorgen te maken dat de keuze voor dubbellaagse grafeen automatisch de prestaties van een kwantumcomputer zal ruïneren. De onderzoekers gebruikten hun ruismetingen om te schatten hoe lang een kwantumbit zijn toestand kon vasthouden voordat de ruis ervoor zorgde dat hij zijn coherentie verloor. Ze berekenden dat voor een lading-gebaseerde qubit de informatie een paar honderd picoseconden zou duren, een tijdsbestek dat overeenkomt met wat in andere materialen is waargenomen. Hoewel dit zeer kort is in menselijke termen, is het voldoende voor de snelle operaties die vereist zijn voor kwantumlogica. Belangrijker nog, de studie suggereert dat voor spin- of valley-qubits, die minder gevoelig zijn voor dit type ruis, de coherentietijden veel langer kunnen zijn. Het werk bevestigt dat dubbellaagse grafeen een robuust platform is waarbij de details van hoe het apparaat wordt gebouwd of afgesteld de capaciteit om kwantuminformatie vast te houden niet kritiek in gevaar brengen, waardoor de deur openstaat voor onderzoekers om zich te concenteren op andere aspecten van het bouwen van een werkende kwantummachine.