En ny type kvantebit i halvledernanostrukturer

Forskere har skabt en kvantesuperpositionstilstand i en halvledernanostruktur, der kan tjene som grundlag for kvanteberegning. Tricket:to optiske laserimpulser, der fungerer som en enkelt terahertz laserimpuls.

Et tysk-kinesisk forskerhold har med succes skabt en kvantebit i en halvledernanostruktur. Ved hjælp af en speciel energiovergang skabte forskerne en superpositionstilstand i en kvanteprik - et lille område af halvlederen - hvor et elektronhul samtidigt besad to forskellige energiniveauer. Sådanne superpositionstilstande er fundamentale for kvanteberegning.

Imidlertid vil excitation af staten kræve en storstilet fri-elektronlaser, der kan udsende lys i terahertz-området. Derudover er denne bølgelængde for lang til at fokusere strålen på den lille kvanteprik. Det tysk-kinesiske team har nu opnået excitationen med to finjusterede optiske laserimpulser med kort bølgelængde.

Holdet ledet af Feng Liu fra Zhejiang University i Hangzhou, sammen med en gruppe ledet af Dr. Arne Ludwig fra Ruhr University Bochum og andre forskere fra Kina og Storbritannien, rapporterer deres resultater i tidsskriftet Nature Nanotechnology , offentliggjort online den 24. juli 2023.

Lasere udløser den strålingsboreproces

Holdet gjorde brug af den såkaldte radiative Auger-overgang. I denne proces rekombinerer en elektron med et hul og frigiver sin energi dels i form af en enkelt foton og dels ved at overføre energien til en anden elektron. Den samme proces kan også observeres med elektronhuller - med andre ord, manglende elektroner. I 2021 lykkedes det for første gang et forskerhold specifikt at stimulere den radiative Auger-overgang i en halvleder.

I det aktuelle projekt viste forskerne, at den radiative Auger-proces kan drives sammenhængende. De brugte to forskellige laserstråler med intensiteter i et specifikt forhold til hinanden. Med den første laser exciterede de et elektron-hul-par i kvanteprikken for at skabe en kvasipartikel bestående af to huller og en elektron. Med en anden laser udløste de den radiative Auger-proces for at hæve ét hul til en række højere energitilstande.

To tilstande samtidigt

Holdet brugte finjusterede laserimpulser til at skabe en superposition mellem hullets jordtilstand og den højere energitilstand. Hullet eksisterede således i begge stater samtidigt. Sådanne superpositioner er grundlaget for kvantebit, som, i modsætning til konventionelle bits, ikke kun eksisterer i tilstandene "0" og "1", men også i superpositioner af begge.

Hans-Georg Babin producerede halvlederprøverne med høj renhed til eksperimentet på Ruhr Universitetet i Bochum under vejledning af Dr. Arne Ludwig ved lærestolen for anvendt faststoffysik under ledelse af professor Andreas Wieck. I processen øgede forskerne kvanteprikkernes ensemblehomogenitet og sikrede den høje renhed af de producerede strukturer. Disse foranstaltninger lettede udførelsen af ​​eksperimenterne af de kinesiske partnere, der arbejdede med Jun-Yong Yan og Feng Liu.

Flere oplysninger: Jun-Yong Yan et al., Kohærent kontrol af et højorbitalt hul i en halvlederkvanteprik, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01442-y

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af Ruhr-Universitaet-Bochum