Новый тип квантового бита в полупроводниковых наноструктурах

25 июля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Юлия Вейлер, Рурский университет-Бохум

Исследователи создали состояние квантовой суперпозиции в полупроводниковой наноструктуре, которое может послужить основой для квантовых вычислений. Хитрость: два оптических лазерных импульса действуют как один терагерцовый лазерный импульс.

Немецко-китайская исследовательская группа успешно создала квантовый бит в полупроводниковой наноструктуре. Используя специальный энергетический переход, исследователи создали состояние суперпозиции в квантовой точке — крошечной области полупроводника, — в котором электронная дырка одновременно обладает двумя разными энергетическими уровнями. Такие состояния суперпозиции имеют фундаментальное значение для квантовых вычислений.

Однако для возбуждения состояния потребуется крупномасштабный лазер на свободных электронах, способный излучать свет в терагерцовом диапазоне. Кроме того, эта длина волны слишком длинна, чтобы сфокусировать луч на крошечной квантовой точке. Немецко-китайская команда теперь добилась возбуждения с помощью двух точно настроенных коротковолновых оптических лазерных импульсов.

Команда, возглавляемая Фэн Лю из Чжэцзянского университета в Ханчжоу, вместе с группой под руководством доктора Арне Людвига из Рурского университета в Бохуме и другими исследователями из Китая и Великобритании, сообщают о своих выводах в журнале Nature Nanotechnology, опубликованном онлайн 24 июля 2023 года. .

Команда использовала так называемый радиационный оже-переход. В этом процессе электрон рекомбинирует с дыркой, высвобождая свою энергию частично в виде одного фотона, а частично передавая энергию другому электрону. Тот же процесс можно наблюдать и с электронными дырками — другими словами, с недостающими электронами. В 2021 году исследовательской группе впервые удалось целенаправленно стимулировать радиационный оже-переход в полупроводнике.

В текущем проекте исследователи показали, что радиационным оже-процессом можно управлять согласованно. Они использовали два разных лазерных луча с интенсивностью в определенном соотношении друг к другу. С помощью первого лазера они возбудили пару электрон-дырка в квантовой точке, чтобы создать квазичастицу, состоящую из двух дырок и электрона. С помощью второго лазера они запустили радиационный оже-процесс, который поднял одну дырку в ряд состояний с более высокой энергией.

Команда использовала точно настроенные лазерные импульсы, чтобы создать суперпозицию между основным состоянием дыры и состоянием с более высокой энергией. Таким образом, дыра существовала в обоих состояниях одновременно. Такие суперпозиции лежат в основе квантовых битов, которые, в отличие от обычных битов, существуют не только в состояниях «0» и «1», но и в суперпозициях того и другого.

Ханс-Георг Бабин изготовил образцы полупроводников высокой чистоты для эксперимента в Рурском университете в Бохуме под руководством доктора Арне Людвига на кафедре прикладной физики твердого тела, возглавляемой профессором Андреасом Виком. При этом исследователи увеличили однородность ансамбля квантовых точек и обеспечили высокую чистоту получаемых структур. Эти меры облегчили проведение экспериментов китайскими партнерами, работающими с Цзюнь-Юн Яном и Фэн Лю.

Больше информации: Джун-Ён Ян и др., Когерентное управление высокоорбитальной дыркой в ​​полупроводниковой квантовой точке, Nature Nanotechnology (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01442-y

Информация журнала: