Forskare har skapat ett kvantsuperpositionstillstånd i en halvledarnanostruktur som kan tjäna som grund för kvantberäkning. Tricket:två optiska laserpulser som fungerar som en enda terahertz-laserpuls.
Ett tysk-kinesiskt forskarlag har framgångsrikt skapat en kvantbit i en halvledarnanostruktur. Med hjälp av en speciell energiövergång skapade forskarna ett superpositionstillstånd i en kvantpunkt - ett litet område av halvledaren - där ett elektronhål samtidigt hade två olika energinivåer. Sådana superpositionstillstånd är grundläggande för kvantberäkning.
Emellertid skulle excitation av staten kräva en storskalig frielektronlaser som kan avge ljus i terahertzområdet. Dessutom är denna våglängd för lång för att fokusera strålen på den lilla kvantpunkten. Det tysk-kinesiska teamet har nu uppnått excitationen med två finjusterade kortvågiga optiska laserpulser.
Teamet som leds av Feng Liu från Zhejiang University i Hangzhou, tillsammans med en grupp ledd av Dr. Arne Ludwig från Ruhr University Bochum och andra forskare från Kina och Storbritannien, rapporterar sina resultat i tidskriften Nature Nanotechnology , publicerad online den 24 juli 2023.
Teamet använde sig av den så kallade radiative Auger-övergången. I denna process rekombinerar en elektron med ett hål och frigör sin energi dels i form av en enda foton och dels genom att överföra energin till en annan elektron. Samma process kan också observeras med elektronhål - med andra ord saknade elektroner. År 2021 lyckades ett forskarlag för första gången specifikt stimulera den strålande Auger-övergången i en halvledare.
I det aktuella projektet visade forskarna att den strålande Auger-processen kan drivas sammanhängande. De använde två olika laserstrålar med intensiteter i ett specifikt förhållande till varandra. Med den första lasern exciterade de ett elektron-hål-par i kvantpunkten för att skapa en kvasipartikel bestående av två hål och en elektron. Med en andra laser utlöste de den strålande Auger-processen för att höja ett hål till en serie högre energitillstånd.
Teamet använde finjusterade laserpulser för att skapa en superposition mellan hålets marktillstånd och det högre energitillståndet. Hålet fanns alltså i båda staterna samtidigt. Sådana superpositioner är grunden för kvantbitar, som, till skillnad från konventionella bitar, inte bara existerar i tillstånden "0" och "1", utan även i superpositioner av båda.
Hans-Georg Babin producerade de högrena halvledarproverna för experimentet vid Ruhr University Bochum under ledning av Dr. Arne Ludwig vid lärostolen för tillämpad fasta tillståndsfysik under ledning av professor Andreas Wieck. I processen ökade forskarna kvantprickarnas ensemblehomogenitet och säkerställde den höga renheten hos de producerade strukturerna. Dessa åtgärder underlättade utförandet av experimenten av de kinesiska partnerna som arbetade med Jun-Yong Yan och Feng Liu.
Mer information: Jun-Yong Yan et al, Koherent kontroll av ett högorbitalt hål i en halvledarkvantprick, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01442-y
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av Ruhr-Universitaet-Bochum
