Om de kwantumcomputers van morgen te bouwen, sommige onderzoekers wenden zich tot donkere excitonen, die zijn gebonden paren van een elektron en de afwezigheid van een elektron een gat genoemd. Als een veelbelovend kwantumbit, of qubit, het kan informatie opslaan in zijn spin-status, analoog aan hoe een gewone, klassieke bit slaat informatie op in de uit- of aan-status. Maar een probleem is dat donkere excitonen geen licht uitstralen, waardoor het moeilijk is om hun spins te bepalen en ze te gebruiken voor de verwerking van kwantuminformatie.

Bij nieuwe experimenten echter, niet alleen kunnen onderzoekers de spintoestanden van donkere excitonen lezen, maar ze kunnen het ook efficiënter doen dan voorheen. Hun demonstratie, deze week beschreven in APL Fotonica , kan onderzoekers helpen om donkere excitonsystemen op te schalen om grotere apparaten voor kwantumcomputers te bouwen.

"Grote fotonextractie en -verzamelingsefficiëntie is vereist om experimenten voorbij de proof-of-principle-fase te duwen, " zei Tobias Heindel van de Technische Universiteit van Berlijn.

Wanneer een elektron in een halfgeleider wordt geëxciteerd naar een hoger energieniveau, het laat een gat achter. Maar het elektron kan nog steeds gebonden zijn aan het positief geladen gat, vormen samen een exciton. Onderzoekers kunnen deze excitonen vangen in kwantumstippen, halfgeleiderdeeltjes op nanoschaal waarvan de kwantumeigenschappen lijken op die van individuele atomen.

Als het elektron en het gat tegengestelde spins hebben, de twee deeltjes kunnen gemakkelijk recombineren en een foton uitzenden. Deze elektron-gatparen worden heldere excitonen genoemd. Maar als ze dezelfde spins hebben, het elektron en het gat kunnen niet gemakkelijk recombineren. Het exciton kan geen licht uitstralen en wordt daarom een ​​donker exciton genoemd.

Deze duisternis maakt deel uit van de reden waarom donkere excitonen veelbelovende qubits zijn. Omdat donkere excitonen geen licht kunnen uitstralen, ze kunnen niet ontspannen naar een lager energieniveau. Daarom, donkere excitonen hebben een relatief lange levensduur, duurt meer dan een microseconde - duizend keer langer dan een helder exciton en lang genoeg om als een qubit te functioneren.

Nog altijd, de duisternis vormt een uitdaging. Omdat het donkere exciton is afgesloten voor licht, je kunt geen fotonen gebruiken om de spintoestanden te lezen - of enige informatie die een donkere exciton-qubit kan bevatten.

Maar anno 2010 een team van natuurkundigen van het Technion-Israel Institute of Technology ontdekte hoe ze de duisternis konden doordringen. Het blijkt dat twee excitonen samen een metastabiele toestand kunnen vormen. Wanneer deze zogenaamde spin-geblokkeerde bi-excitontoestand ontspant tot een lager energieniveau, het laat een donker exciton achter terwijl het een foton uitzendt. Door dit foton te detecteren, de onderzoekers zouden weten dat er een donker exciton is gemaakt.

Om dan de spin van het donkere exciton te lezen, de onderzoekers introduceren een extra elektron of gat. Als de nieuwe ladingsdrager een spin-up elektron is, bijvoorbeeld, het combineert met het spin-down gat van het donkere exciton, vormt een helder exciton dat snel vervalt en een foton produceert. Het donkere exciton wordt vernietigd. Maar door de polarisatie van het uitgezonden foton te meten, de onderzoekers kunnen bepalen wat de spin van het donkere exciton was.

Net als bij de experimenten van 2010 de nieuwe meten donkere excitonen in kwantumstippen. Maar in tegenstelling tot de eerdere studie, de nieuwe experimenten gebruiken een microlens die over een individuele kwantumdot past die van tevoren is geselecteerd. Met de lens kunnen onderzoekers meer fotonen vastleggen en meten, cruciaal voor grootschalige kwantuminformatie-apparaten. Dankzij hun aanpak kunnen ze ook de helderste kwantumstippen kiezen om te meten.

"Dit betekent dat we per keer meer fotonen van de gerelateerde excitontoestanden kunnen detecteren, waardoor we vaker toegang hebben tot de donkere exciton-spins, ' zei Heindel.

Het meten van de donkere exciton-spins onthult ook de frequentie van zijn precessie, een oscillatie tussen een toestand waarin de spins omhoog of omlaag zijn. Dit nummer kennende, Heindel legde uit, is nodig bij het gebruik van donkere excitonen om kwantumtoestanden van licht te genereren die veelbelovend zijn voor kwantuminformatietoepassingen. Voor deze staten is zogenaamde clustertoestanden van verstrengelde fotonen, de kwantummechanische eigenschappen blijven behouden, zelfs als delen van de staat worden vernietigd - wat nodig is voor foutbestendige kwantuminformatiesystemen.