Para construir os computadores quânticos de amanhã, alguns pesquisadores estão se voltando para excitons escuros, que são pares ligados de um elétron e a ausência de um elétron chamado de buraco. Como um bit quântico promissor, ou qubit, ele pode armazenar informações em seu estado de rotação, análogo a como um regular, bit clássico armazena informações em seu estado desligado ou ligado. Mas um problema é que excitons escuros não emitem luz, tornando difícil determinar seus spins e usá-los para processamento de informações quânticas.

Em novos experimentos, Contudo, não só os pesquisadores podem ler os estados de spin de excitons escuros, mas eles também podem fazer isso com mais eficiência do que antes. Sua demonstração, descrito esta semana em APL Photonics , pode ajudar os pesquisadores a dimensionar sistemas de excitons escuros para construir dispositivos maiores para computação quântica.

"Grande extração de fótons e eficiência de coleta são necessárias para levar os experimentos além do estágio de prova de princípio, "disse Tobias Heindel da Universidade Técnica de Berlim.

Quando um elétron em um semicondutor é excitado para um nível de energia mais alto, isso deixa um buraco. Mas o elétron ainda pode ser ligado ao buraco carregado positivamente, juntos formando um exciton. Os pesquisadores podem capturar esses excitons em pontos quânticos, partículas semicondutoras em nanoescala cujas propriedades quânticas são como as de átomos individuais.

Se o elétron e o buraco têm spins opostos, as duas partículas podem se recombinar facilmente e emitir um fóton. Esses pares de elétron-buraco são chamados de excitons brilhantes. Mas se eles tiverem os mesmos giros, o elétron e o buraco não podem se recombinar facilmente. O exciton não pode emitir luz e, portanto, é chamado de exciton escuro.

Essa escuridão é parte do motivo pelo qual excitons escuros são qubits promissores. Porque excitons escuros não podem emitir luz, eles não podem relaxar para um nível de energia inferior. Portanto, excitons escuros persistem com uma vida relativamente longa, com duração de mais de um microssegundo - mil vezes mais do que um exciton brilhante e tempo suficiente para funcionar como um qubit.

Ainda, a escuridão representa um desafio. Porque o exciton escuro está fechado para a luz, você não pode usar fótons para ler os estados de spin - ou qualquer informação que um exciton qubit escuro possa conter.

Mas em 2010, uma equipe de físicos do Instituto de Tecnologia Technion-Israel descobriu como penetrar na escuridão. Acontece que dois excitons juntos podem formar um estado metaestável. Quando este chamado estado de biexciton com bloqueio de rotação relaxa para um nível de energia mais baixo, ele deixa para trás um exciton escuro enquanto emite um fóton. Ao detectar este fóton, os pesquisadores saberiam que um exciton escuro foi criado.

Para então ler o giro do exciton escuro, os pesquisadores introduzem um elétron ou buraco adicional. Se o novo portador de carga for um elétron de spin-up, por exemplo, ele se combina com o buraco giratório do exciton escuro, formando um exciton brilhante que decai rapidamente e produz um fóton. O exciton escuro é destruído. Mas, medindo a polarização do fóton emitido, os pesquisadores podem determinar qual era o spin do exciton escuro.

Como nos experimentos de 2010, os novos medem excitons escuros dentro de pontos quânticos. Mas, ao contrário do estudo anterior, os novos experimentos usam uma microlente que se ajusta sobre um ponto quântico individual que foi selecionado com antecedência. A lente permite aos pesquisadores capturar e medir mais fótons, crucial para dispositivos de informação quântica em grande escala. Sua abordagem também permite que eles escolham os pontos quânticos mais brilhantes para medir.

"Isso significa que podemos detectar mais fótons dos estados de excitons relacionados por vez, o que nos permite acessar os spins do exciton escuro com mais frequência, "Heindel disse.

Medir os spins do exciton escuro também revela a frequência de sua precessão, uma oscilação entre um estado em que os spins são para cima ou para baixo. Sabendo este número, Heindel explicou, é necessário ao usar excitons escuros para gerar estados quânticos de luz que são promissores para aplicações de informações quânticas. Para esses estados, chamados estados de cluster de fótons emaranhados, as propriedades da mecânica quântica são preservadas mesmo que partes do estado sejam destruídas - necessárias para sistemas de informação quântica resistentes a erros.