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科学家打造“双层”石墨烯量子点，兼顾扩展性与容错性的精密量子电脑即将到来

研究员正深入研究双层石墨烯（graphene）制成量子点（Quantum Dots，QD）的独特现象及可用性，打开量子运算更广泛应用的大门。尤其自旋量子位元（Spin Qbit）主体的石墨烯量子点，可利用电子和电洞（electron and hole）量子点促进长程耦合，让基于固态自旋量子位元的量子运算平台愈来愈受青睐，不久后就能打造更具扩展性、容错性与精密的量子电脑。

量子点是有电子特性且如原子大小的微型晶粒半导体，量子点的电子能激发成一系列量子化能阶（energy levels）。这方面很像原子，但与传统固体电子会激发成导带（conduction band）不同，正因如此，可透过调整量子点大小和形状微调。

石墨烯是由一层碳原子构成的薄片，量子点可由极小片石墨烯制成。德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）研究团队展示如何在双层石墨烯量子点结构某层纳入电子，并在另一层纳入电洞（又称空穴或电子孔，为电子激发时在半导体产生类似粒子的实体）。观测到重要且独特的现象，亦即两个实体的自旋态（spin state）几乎是彼此的完美镜像。

石墨烯量子点可利用电子和电洞量子点实现长程耦合

石墨烯量子点的极具潜力应用就是建立量子位元，亦即以电子自旋态储存量子资讯。2007 年首次发现的石墨烯量子点，是在当成自旋量子位元的有趣主体后开始受瞩目，最大突破就是可用电子和电洞量子点促进长程耦合（long-range coupling），为基于固态自旋量子位元的量子运算平台发展奠立基础。

如今研究团队制造双层石墨烯量子点为更深研究缔造新里程碑，由于每层都可当成单独量子点，并与另一层对应量子点密切互动。当施加外部电压，双层石墨烯可困住电子和电洞，形成独特闸极结构。不仅如此，团队还致力降低双层石墨烯分子结构的无序性。

超越当前量子点材料能耐的量子点元件将现身

早在 2018 年，这种闸极结构机制首次成功利用双层石墨烯之中独特的电场诱发能隙（band gap）来限制单载子（single charge carrier）。如今，透过进一步提高闸极的可调性，将有可能制造出超越当前量子点材料（包括硅、锗或砷化镓）能耐的量子点元件。

“双层”石墨烯结构还具备一个关键优势，那就是量子点电子和电洞的自旋态特性，研究团队透过实际实验发现，其中一个石墨烯层中个别电子和电洞的状态几乎是另一层电子和电洞对的完美映射。研究团队并发现，双层石墨烯电子/电洞双量子点具有几乎完美的粒子/电洞对称性（particle-hole symmetry），这让透过具有相反量子数之单个“电子/电洞对”的产生和湮灭来进行传输成为可行。

上述研究成果能将今后彼此相隔更远的量子位元耦合在一起，同时更可靠地读出它们的自旋对称态，进而开发出兼具扩展性、容错性与精密性的量子电脑。不仅如此，研究团并且认为未来双层石墨烯量子点有可能为兆赫波的纳米级探测器应用提供基础，甚至可与超导体耦合，进而为“纠缠粒子对”建立有效来源。