För att bygga morgondagens kvantdatorer, vissa forskare vänder sig till mörka excitoner, som är bundna par av en elektron och frånvaron av en elektron som kallas ett hål. Som en lovande kvantbit, eller qubit, den kan lagra information i sitt rotationsläge, analogt med hur en vanlig, klassisk bit lagrar information när den är av eller på. Men ett problem är att mörka excitoner inte avger ljus, gör det svårt att bestämma deras snurr och använda dem för kvantinformationsbehandling.

I nya experiment, dock, inte bara kan forskare läsa spin -tillstånden för mörka excitoner, men de kan också göra det mer effektivt än tidigare. Deras demonstration, beskrivs den här veckan i APL Photonics , kan hjälpa forskare att skala upp mörka excitonsystem för att bygga större enheter för kvantberäkning.

"Stor fotonekstraktion och uppsamlingseffektivitet krävs för att driva experiment bortom principen om principprövning, "sa Tobias Heindel från Berlins tekniska universitet.

När en elektron i en halvledare exciteras till en högre energinivå, det lämnar ett hål efter sig. Men elektronen kan fortfarande bindas till det positivt laddade hålet, bildar tillsammans en exciton. Forskare kan fånga dessa excitoner i kvantprickar, nanoskala halvledarpartiklar vars kvantegenskaper är som de hos enskilda atomer.

Om elektronen och hålet har motsatta snurr, de två partiklarna kan enkelt rekombinera och avge en foton. Dessa elektronhålspar kallas ljusa excitoner. Men om de har samma snurr, elektronen och hålet kan inte lätt rekombineras. Excitonen kan inte avge ljus och kallas därför en mörk exciton.

Detta mörker är en del av varför mörka excitoner är lovande qubits. Eftersom mörka excitoner inte kan avge ljus, de kan inte slappna av till en lägre energinivå. Därför, mörka excitoner kvarstår med ett relativt långt liv, varar över en mikrosekund - tusen gånger längre än en ljus exciton och tillräckligt lång för att fungera som en qubit.

Fortfarande, mörkret ställer en utmaning. Eftersom den mörka excitonen stängs för ljus, du kan inte använda fotoner för att läsa spinntillstånden - eller någon information som en mörk exciton -qubit kan innehålla.

Men 2010, ett team av fysiker vid Technion-Israel Institute of Technology räknade ut hur man tränger in i mörkret. Det visar sig att två excitoner tillsammans kan bilda ett metastabilt tillstånd. När detta så kallade spin-blockerade biexciton-tillstånd slappnar av till en lägre energinivå, den lämnar efter sig en mörk exciton medan den avger en foton. Genom att upptäcka denna foton, forskarna skulle veta att en mörk exciton skapades.

För att sedan läsa snurrningen av den mörka excitonen, forskarna introducerar ytterligare en elektron eller ett hål. Om den nya laddningsbäraren är en spin-up elektron, till exempel, den kombineras med det nedåtriktade hålet i den mörka excitonen, bildar en ljus exciton som snabbt förfaller och producerar en foton. Den mörka excitonen förstörs. Men genom att mäta polariseringen av den utsända fotonen, forskarna kan avgöra vad den mörka excitons snurr var.

Precis som i experimenten 2010, de nya mäter mörka excitoner inuti kvantprickar. Men till skillnad från den tidigare studien, de nya experimenten använder en mikrolins som passar över en individuell kvantpunkt som valdes i förväg. Linsen gör att forskare kan fånga och mäta fler fotoner, avgörande för kvantinformationsenheter i större skala. Deras tillvägagångssätt låter dem också välja de ljusaste kvantprickarna att mäta.

"Det betyder att vi kan upptäcka fler fotoner av de relaterade excitontillstånden per gång, vilket gör att vi kan komma åt de mörka exciton -snurrarna oftare, "Sa Heindel.

Mätning av de mörka excitonspinnarna avslöjar också frekvensen av dess presession, en oscillation mellan ett tillstånd där snurren är antingen uppåt eller nedåt. Att veta detta nummer, Heindel förklarade, behövs när man använder mörka excitoner för att generera kvanttillstånd av ljus som är lovande för kvantinformationsapplikationer. För dessa stater, kallas klustertillstånd för intrasslade fotoner, de kvantmekaniska egenskaperna bevaras även om delar av staten förstörs-behövs för felresistenta kvantinformationssystem.