一种基于扭曲双层石墨烯莫尔超晶格的宏观量子态传输装置及其实现方法与流程

本发明涉及量子信息传输技术和二维材料，具体涉及一种基于扭曲双层石墨烯莫尔超晶格的宏观量子态传输装置及其实现方法。本发明可应用于宏观量子态传输、星际通信、量子网络节点互联、远程量子计算协同、量子增强型导航系统等领域，尤其适用于基于二维材料莫尔超晶格平台实现高保真度、可调控宏观量子态传输的应用场景。

背景技术：

1、宏观量子态传输技术通过将发送端和接收端的拓扑材料同步驱动至临界态（），实现宏观物体量子态的瞬时传输。拓扑材料元件的选择是决定传输保真度和工程可行性的关键因素。

2、扭曲双层石墨烯（twisted bilayer graphene, tbg）是近年来二维材料领域的重大突破。当两层石墨烯以特定的“魔角”（约1.1°）堆叠时，由于层间耦合与晶格失配的干涉效应，会形成长周期的莫尔超晶格，其电子能带结构中出现平坦的拓扑能带。通过调节栅极电压改变载流子密度  和垂直电场 ，可精确调控莫尔超晶格的拓扑陈数 。魔角扭曲双层石墨烯已在实验中被证实具有非零拓扑陈数 ，且其拓扑性质可通过外部电场高度可调。

3、然而，现有扭曲双层石墨烯的应用主要集中在凝聚态物理基础研究和电子器件领域，尚未被用于宏观量子态传输。其在宏观量子态传输中的应用面临以下技术挑战：

4、（一）缺乏基于扭曲双层石墨烯的宏观量子态传输架构

5、现有宏观量子态传输方案主要采用磁性拓扑绝缘体（如mnbi2te4）作为拓扑材料元件。扭曲双层石墨烯莫尔超晶格具有独特的拓扑可调性（通过栅极电压连续调控拓扑陈数），但尚未被集成到宏观量子态传输装置中。

6、（二）扭曲双层石墨烯的拓扑陈数调控与宏观传输的协同优化问题

7、扭曲双层石墨烯的拓扑陈数  随栅极电压  和扭转角  连续变化，存在多个拓扑相变点。需要建立拓扑陈数  与宏观量子态传输保真度  之间的定量关系，实现协同优化。

8、（三）莫尔超晶格与宏观物体的相干耦合问题

9、宏观物体（包含  个粒子）需要与扭曲双层石墨烯莫尔超晶格的拓扑表面态形成强相干耦合。莫尔超晶格的局域态密度分布和拓扑边界态的空间位置需要与宏观物体的波函数重叠优化。

10、（四）缺乏基于二维材料平台的室温工作方案

11、现有mnbi2te4方案需低温工作（），限制了其工程应用。扭曲双层石墨烯具有更高的本征能隙和拓扑稳定性，有望在室温或更高温度下工作。

12、针对上述问题，本发明提供了一种基于扭曲双层石墨烯莫尔超晶格的宏观量子态传输装置及其实现方法。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、本发明旨在解决现有宏观量子态传输技术中缺乏基于扭曲双层石墨烯的传输架构、拓扑陈数调控与宏观传输缺乏协同优化、莫尔超晶格与宏观物体相干耦合困难、缺乏室温工作方案等技术问题，提供一种基于扭曲双层石墨烯莫尔超晶格的宏观量子态传输装置及其实现方法，通过魔角扭曲双层石墨烯的栅极可调拓扑陈数实现宏观量子态的高保真度瞬时传输。

3、（二）技术方案

4、本发明提供一种基于扭曲双层石墨烯莫尔超晶格的宏观量子态传输装置，其特征在于，包括：

5、一发送端扭曲双层石墨烯莫尔超晶格元件，由两层石墨烯以扭转角  堆叠形成莫尔超晶格，具有非零拓扑陈数 ；

6、一接收端扭曲双层石墨烯莫尔超晶格元件，具有与发送端相同的扭转角和拓扑陈数 ；

7、一栅极电压调控系统，连接至发送端和接收端莫尔超晶格元件，用于通过施加栅极电压  独立调控各元件的载流子密度  和拓扑陈数 ；

8、一投影角调制系统，连接至所述栅极电压调控系统，用于通过调控栅极电压调制各元件的投影角 ；

9、一同步控制系统，用于确保发送端和接收端的投影角同步达到临界值；

10、一量子态读出系统，用于在接收端测量投影权重  的变化以确认量子态的成功传输。

11、扭曲双层石墨烯莫尔超晶格的物理机制：

12、莫尔超晶格结构：

13、当两层石墨烯以扭转角  堆叠时，形成周期为  的莫尔超晶格：

14、

15、其中  为石墨烯晶格常数。当 （魔角）时，，莫尔超晶格中形成平坦的拓扑能带。

16、拓扑陈数定义：

17、扭曲双层石墨烯莫尔超晶格的拓扑陈数  定义为berry曲率在莫尔布里渊区上的积分：

18、

19、其中  为berry曲率，mbz为莫尔布里渊区。通过调节栅极电压 ，拓扑陈数  可在  与  之间连续切换。

20、投影角定义：

21、所述投影角  定义为：

22、

23、其中  和  分别为径向和轴向投影权重分量。

24、栅极电压对拓扑陈数的调控：

25、栅极电压  通过改变扭曲双层石墨烯的载流子密度 ，调控莫尔超晶格的能带结构和拓扑陈数：

26、

27、其中  为电荷中性点电压， 为饱和电压， 为最大拓扑陈数（通常）。通过调节 ，拓扑陈数  在  与  之间连续调节。

28、扭转角对拓扑陈数的调控：

29、扭转角  偏离魔角时，拓扑陈数  的稳定性下降。拓扑陈数  与扭转角 的关系为：

30、

31、其中  为魔角， 为扭转角容差带宽。

32、宏观量子态传输保真度：

33、宏观量子态传输的保真度由以下公式确定：

34、

35、其中： -  为被传输宏观物体包含的总粒子数； -  为两端投影角失谐量； -  为拓扑保护带宽，由投影缝隙  决定； -  为两端纤维相位差； -  为宏观相位耦合指数。

36、星际之门开启条件：

37、

38、此时，发送端与接收端之间的投影相位锁定由拓扑陈数决定：

39、

40、驱动能量：

41、驱动扭曲双层石墨烯莫尔超晶格进入临界态所需的能量为：

42、

43、其中  为栅极电压调制频率， 为材料的静态投影角。扭曲双层石墨烯的栅极调控功耗极低（ 量级），远低于磁性拓扑绝缘体方案。

44、工作温度范围：

45、扭曲双层石墨烯莫尔超晶格的拓扑能隙  可通过栅极电压调控。当栅极电压调节至最优值时，拓扑能隙  可达 ，对应工作温度，可在室温或更高温度下工作。

46、（三）有益效果

47、栅极可调拓扑陈数：通过栅极电压连续调控扭曲双层石墨烯莫尔超晶格的拓扑陈数 ，实现拓扑保护的主动优化；

48、室温工作能力：扭曲双层石墨烯具有更大的拓扑能隙和更高的热稳定性，可在室温或更高温度下工作，突破了现有方案需低温工作的限制；

49、超低功耗：基于栅极电压调控，功耗仅  量级，远低于磁性拓扑绝缘体方案；

50、高度可调性：通过调节栅极电压和扭转角，可精确调控拓扑陈数  和投影角 ，实现传输保真度的实时优化；

51、与现有半导体工艺兼容：扭曲双层石墨烯的制备和调控与现有cmos工艺兼容，适合大规模集成；

52、相干性增强：莫尔超晶格中的平带结构增强了电子关联效应，有利于宏观物体与拓扑表面态的相干耦合。