Brug af den mørke side af excitoner til kvanteberegning

For at bygge morgendagens kvantecomputere, nogle forskere vender sig til mørke excitoner, som er bundne par af en elektron og fraværet af en elektron kaldet et hul. Som en lovende kvantebit, eller qubit, den kan gemme oplysninger i sin spin -tilstand, analogt med hvordan en almindelig, klassisk bit gemmer information i slukket eller slukket tilstand. Men et problem er, at mørke excitoner ikke udsender lys, gør det svært at bestemme deres spins og bruge dem til behandling af kvanteoplysninger.

I nye forsøg, imidlertid, ikke kun kan forskere læse spin -tilstande for mørke excitoner, men de kan også gøre det mere effektivt end før. Deres demonstration, beskrevet i denne uge i APL Photonics , kan hjælpe forskere med at opskalere mørke excitonsystemer til at bygge større enheder til kvanteberegning.

"Stor fotonekstraktion og opsamlingseffektivitet er påkrævet for at skubbe eksperimenter ud over princippet om princip-princip, "sagde Tobias Heindel fra det tekniske universitet i Berlin.

Når en elektron i en halvleder er spændt til et højere energiniveau, det efterlader et hul. Men elektronen kan stadig være bundet til det positivt ladede hul, sammen danner en exciton. Forskere kan fange disse excitoner i kvantepunkter, nanoskala halvlederpartikler, hvis kvanteegenskaber er som de for individuelle atomer.

Hvis elektronen og hullet har modsatte spins, de to partikler kan let rekombinere og udsende en foton. Disse elektronhulspar kaldes lyse excitoner. Men hvis de har de samme spins, elektronen og hullet kan ikke let rekombineres. Excitonen kan ikke udsende lys og kaldes derfor en mørk exciton.

Dette mørke er en del af, hvorfor mørke excitoner er lovende qubits. Fordi mørke excitoner ikke kan udsende lys, de kan ikke slappe af til et lavere energiniveau. Derfor, mørke excitoner vedvarer med et relativt langt liv, varer mere end et mikrosekund - tusinde gange længere end en lys exciton og længe nok til at fungere som en qubit.

Stadig, mørket udgør en udfordring. Fordi den mørke exciton er lukket for lys, du kan ikke bruge fotoner til at læse spin -tilstande - eller enhver information, en mørk exciton -qubit kan indeholde.

Men i 2010, et team af fysikere ved Technion-Israel Institute of Technology fandt ud af, hvordan man kunne trænge igennem mørket. Det viser sig, at to excitoner sammen kan danne en metastabil tilstand. Når denne såkaldte spin-blokerede biexciton-tilstand slapper af til et lavere energiniveau, den efterlader en mørk exciton, mens den udsender en foton. Ved at opdage denne foton, forskerne ville vide, at der blev oprettet en mørk exciton.

For derefter at læse spin af den mørke exciton, forskerne introducerer en ekstra elektron eller et hul. Hvis den nye ladestation er en spin-up elektron, for eksempel, det kombineres med det neddrejede hul i den mørke exciton, danner en lys exciton, der hurtigt henfalder og producerer en foton. Den mørke exciton ødelægges. Men ved at måle polariseringen af ​​den udsendte foton, forskerne kan bestemme, hvad den mørke excitons spin var.

Ligesom i 2010 -eksperimenterne de nye måler mørke excitoner inde i kvantepunkter. Men i modsætning til den tidligere undersøgelse, de nye eksperimenter bruger en mikrolinse, der passer over en individuel kvantepunkt, der blev valgt på forhånd. Objektivet giver forskere mulighed for at fange og måle flere fotoner, afgørende for kvantinformationsenheder i større skala. Deres tilgang lader dem også vælge de klareste kvantepunkter, der skal måles.

"Det betyder, at vi kan detektere flere fotoner af de relaterede exciton -tilstande pr. Gang, som giver os mulighed for at få adgang til de mørke exciton -spins oftere, "Sagde Heindel.

Måling af de mørke exciton -spins afslører også frekvensen af ​​dens recession, en svingning mellem en tilstand, hvor spins enten er op eller ned. Ved at kende dette nummer, Heindel forklarede, er nødvendig ved brug af mørke excitoner til at generere kvantetilstande af lys, der er lovende for kvanteinformationsapplikationer. For disse stater, kaldet klyngetilstande af sammenfiltrede fotoner, de kvantemekaniske egenskaber bevares, selvom dele af staten ødelægges-nødvendige for fejlresistente kvanteinformationssystemer.