Ученые впервые создали и управляли тройными квантовыми точками в оксиде цинка

(a) Схема созданного ZnO-устройства. Двумерный электронный газ формируется между (Mg, Zn)O и ZnO. Квантовые точки создаются путем приложения напряжения затвора к этому двумерному электронному газу. (b) Изображение устройства, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Тройные квантовые точки сформированы в нижней части, а сенсорная квантовая точка и квантовый точечный контакт — в верхней. Автор: Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-20567-9

Квантовые компьютеры обладают потенциалом решать определенные вычисления экспоненциально быстрее, чем классические компьютеры, но для их практического применения необходимы дополнительные исследования. Основной единицей информации в квантовых компьютерах являются кубиты — аналоги битов (0 и 1) в классических системах, но с гораздо большим количеством возможных состояний.

Однако для функционирования квантовых компьютеров требуется большое количество кубитов. Исследования квантовых точек — наноструктур с уникальными свойствами, которые позволяют им служить кубитами, — имеют решающее значение для преодоления этого препятствия.

Прорыв в управлении квантовыми точками

Исследователи из Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) Университета Тохоку сделали значительный шаг к реализации технологий квантовой обработки информации следующего поколения. Исследование было опубликовано в журнале Scientific Reports.

Команде ученых впервые удалось создать и осуществить электрическое управление тройными квантовыми точками в оксиде цинка (ZnO) — полупроводниковом материале, известном своей хорошей спиновой когерентностью и сильными электронными корреляциями. Хотя одиночные и двойные квантовые точки в ZnO демонстрировались и ранее, масштабирование до множественных управляемых точек до сих пор оставалось серьезной проблемой.

Связывая несколько квантовых точек, исследователи могут изучать сложное квантовое поведение и разрабатывать потенциальные архитектуры для квантовых вычислений.

Наблюдение новых квантовых явлений

Команда также наблюдала уникальное явление, известное как эффект квантового клеточного автомата (QCA), которое возникает только в системах, состоящих из трех или более связанных квантовых точек.

Исследовательская группа под руководством доцента Томохиро Оцуки из WPI-AIMR и Научно-исследовательского института электронных коммуникаций Университета Тохоку создала гетероструктурное ZnO-устройство, способное формировать три связанные квантовые точки с помощью точного управления электрическим полем.

Ученые подтвердили, что каждая квантовая точка достигла режима с малым количеством электронов — важного условия для применения кубитов. Кроме того, анализируя характеристики электронного транспорта, исследователи обнаружили эффект QCA, при котором конфигурация заряда в одной квантовой точке влияет на соседние точки через электростатическую связь и вызывает одновременное движение двух электронов — ключевой механизм, предусмотренный для малоэнергетических квантовых логических операций.

Значение для будущих квантовых технологий

«Это исследование показывает, что ZnO может содержать множество хорошо управляемых квантовых точек, в которых происходят сложные квантовые взаимодействия», — сказал Оцука. «Наш следующий шаг — изучение когерентного квантового управления и операций с кубитами в этих оксидных системах».

Это исследование открывает новый путь, используя ZnO — материал, уже знакомый по таким повседневным технологиям, как солнцезащитные кремы и прозрачная электроника, — для создания и управления кубитами.

Подобные исследования являются важным шагом на пути к преодолению серьезных проблем построения стабильных и масштабируемых квантовых систем. Если это удастся, квантовые компьютеры обещают произвести революцию в таких областях, как дизайн материалов, разработка лекарств и безопасность данных.

Таким образом, это открытие не только расширяет спектр материалов, доступных для квантовых вычислений, но и приближает нас к созданию практичных и энергоэффективных квантовых устройств в будущем.

Дополнительная информация: Koichi Baba et al, Formation of few-electron triple quantum dots in ZnO heterostructures, Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-20567-9

Источник: Tohoku University