Электронные спины рассматриваются как вероятные кандидаты в носители квантовой информации. Логические состояния спинового кубита «0» и «1» соответствуют двум противоположным ориентациям спина электрона. В последние годы теоретически и экспериментально изучается возможность организации квантовых вычислений со спиновыми кубитами в полупроводниковых квантовых точках на основе GaAs.

При этом основными источниками декогеренции являются спин-орбитальное взаимодействие и сверхтонкое взаимодействие спина электрона с ядерными спинами. Чтобы увеличить время сохранения когерентности спиновых состояний, нужно изготавливать квантовые точки из других материалов, в которых эти взаимодействия значительно слабее, чем в GaAs. Например, в углеродных нанотрубках и графене спин-орбитальное взаимодействие сравнительно невелико, а сверхтонкое взаимодействие в изотопе 12C с нулевым ядерным спином вообще отсутствует (концентрация примеси 13C, как правило, очень мала).

В теоретической работе [1] физиков из Университета Базеля предложен способ формирования спиновых кубитов в квантовых точках на основе графена. Для этого из графенового слоя нужно вырезать узкую полоску со слегка изогнутыми краями (в результате чего снимается присущее графену двукратное вырождение зоны проводимости и валентной зоны) и приложить соответствующие напряжения на электроды, расположенные вдоль полоски, см. рисунок.

Рис.1. Схематическое изображение спиновых кубитов в наноленте из графена. Синим цветом изображены «барьерные электроды», разделяющие наноленту на квантовые точки; красным цветом – электроды, посредством которых осуществляется контроль взаимодействия между кубитами

Такие квантовые точки имеют прямоугольную форму. В них имеются дискретные уровни энергии, которым отвечают локализованные волновые функции. Расчеты показали, что если поперечные размеры квантовых точек составляют около 30 нм, и в каждой из них находится по одному электрону (поверх заполненной валентной зоны), то энергия обменного взаимодействия между спинами электронов в двух соседних квантовых точках составляет J ~ (0.1 ¸ 1.5) мэВ. При этом возникает возможность организовать (с помощью управляющих кубитов) даже взаимодействие между спинами достаточно удаленных друг от друга точек, не затрагивая промежуточные спины. Это является следствием «квазирелятивистского» конусообразного закона дисперсии, в результате которого в графене имеет место аналог эффекта Клейна (заключающегося в проникновении электрона через потенциальный барьер, высота которого более чем в два раза превышает энергию покоя электрона, с близкой к единице вероятностью [2], подробнее см. [1]). Такие нелокальные взаимодействия между кубитами важны, в частности, для квантовой коррекции ошибок.

Хотя система квантовых точек в графеновой наноленте допускает масштабирование, с практической точки зрения ее существенным недостатком является одномерность. Альтернативу представляют два параллельных друг другу слоя графена, в которых можно попробовать сформировать двумерный массив квантовых точек [3].

Л.Опенов