Onderzoekers hebben een kwantumsuperpositietoestand gecreëerd in een halfgeleidernanostructuur die als basis zou kunnen dienen voor kwantumcomputers. De truc:twee optische laserpulsen die werken als een enkele terahertz-laserpuls.

Een Duits-Chinees onderzoeksteam is erin geslaagd een kwantumbit in een halfgeleidernanostructuur te creëren. Met behulp van een speciale energietransitie creëerden de onderzoekers een superpositietoestand in een kwantumdot – een klein deel van de halfgeleider – waarin een elektronengat tegelijkertijd twee verschillende energieniveaus bezat. Dergelijke superpositietoestanden zijn van fundamenteel belang voor kwantumcomputers.

Voor excitatie van de toestand zou echter een grootschalige vrije-elektronenlaser nodig zijn die licht in het terahertz-bereik kan uitzenden. Bovendien is deze golflengte te lang om de straal op de kleine kwantumstip te focusseren. Het Duits-Chinese team heeft de excitatie nu bereikt met twee nauwkeurig afgestemde optische laserpulsen met korte golflengte.

Het team onder leiding van Feng Liu van de Zhejiang Universiteit in Hangzhou, samen met een groep onder leiding van Dr. Arne Ludwig van de Ruhr Universiteit Bochum en andere onderzoekers uit China en het Verenigd Koninkrijk, rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Nature Nanotechnology , online gepubliceerd op 24 juli 2023.

Lasers activeren het stralings-Auger-proces

Het team maakte gebruik van de zogenaamde stralings-Auger-overgang. In dit proces recombineert een elektron met een gat, waarbij zijn energie deels vrijkomt in de vorm van een enkel foton en deels door de energie over te dragen aan een ander elektron. Hetzelfde proces kan ook worden waargenomen bij elektronengaten, met andere woorden:ontbrekende elektronen. In 2021 slaagde een onderzoeksteam er voor het eerst in om de stralings-Auger-overgang in een halfgeleider specifiek te stimuleren.

In het huidige project toonden de onderzoekers aan dat het stralings-Auger-proces coherent kan worden aangestuurd. Ze gebruikten twee verschillende laserstralen met intensiteiten in een specifieke verhouding tot elkaar. Met de eerste laser hebben ze een elektron-gat-paar in de kwantumdot opgewonden, waardoor een quasideeltje ontstond dat uit twee gaten en een elektron bestond. Met een tweede laser activeerden ze het stralings-Auger-proces om één gat naar een reeks hogere energietoestanden te tillen.

Twee staten tegelijk

Het team gebruikte nauwkeurig afgestemde laserpulsen om een ​​superpositie te creëren tussen de grondtoestand van het gat en de hogere energietoestand. Het gat bestond dus tegelijkertijd in beide staten. Dergelijke superposities vormen de basis voor kwantumbits, die, in tegenstelling tot conventionele bits, niet alleen voorkomen in de toestanden "0" en "1", maar ook in superposities van beide.

Hans-Georg Babin produceerde de hoogzuivere halfgeleidermonsters voor het experiment aan de Ruhr Universiteit Bochum onder supervisie van Dr. Arne Ludwig van de leerstoel Toegepaste Vastestoffysica onder leiding van professor Andreas Wieck. Daarbij vergrootten de onderzoekers de ensemble-homogeniteit van de kwantumdots en zorgden ze voor de hoge zuiverheid van de geproduceerde structuren. Deze maatregelen vergemakkelijkten de uitvoering van de experimenten door de Chinese partners die samenwerkten met Jun-Yong Yan en Feng Liu.

Meer informatie: Jun-Yong Yan et al, Coherente controle van een gat met een hoge baan in een halfgeleider-kwantumdot, Natuurnanotechnologie (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01442-y

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door Ruhr-Universitaet-Bochum