Pesquisadores criaram um estado de superposição quântica em uma nanoestrutura semicondutora que pode servir de base para a computação quântica. O truque:dois pulsos de laser óptico que atuam como um único pulso de laser terahertz.



Uma equipe de pesquisa germano-chinesa criou com sucesso um bit quântico em uma nanoestrutura semicondutora. Usando uma transição de energia especial, os pesquisadores criaram um estado de superposição em um ponto quântico – uma pequena área do semicondutor – no qual um buraco de elétron possuía simultaneamente dois níveis de energia diferentes. Tais estados de superposição são fundamentais para a computação quântica.

No entanto, a excitação do estado exigiria um laser de elétrons livres em grande escala que pudesse emitir luz na faixa de terahertz. Além disso, este comprimento de onda é muito longo para focar o feixe no minúsculo ponto quântico. A equipe germano-chinesa conseguiu agora a excitação com dois pulsos de laser óptico de comprimento de onda curto e bem ajustados.

A equipe liderada por Feng Liu, da Universidade de Zhejiang, em Hangzhou, juntamente com um grupo liderado pelo Dr. Arne Ludwig, da Universidade Ruhr Bochum, e outros pesquisadores da China e do Reino Unido, relatam suas descobertas na revista Nature Nanotechnology. , publicado on-line em 24 de julho de 2023.

Lasers acionam o processo radiativo Auger

A equipe fez uso da chamada transição radiativa Auger. Neste processo, um elétron se recombina com um buraco, liberando sua energia parcialmente na forma de um único fóton e parcialmente transferindo a energia para outro elétron. O mesmo processo também pode ser observado com buracos de elétrons – em outras palavras, elétrons ausentes. Em 2021, uma equipe de pesquisa conseguiu pela primeira vez estimular especificamente a transição radiativa Auger em um semicondutor.

No projeto atual, os pesquisadores mostraram que o processo radiativo Auger pode ser conduzido de forma coerente. Eles usaram dois feixes de laser diferentes com intensidades em uma proporção específica entre si. Com o primeiro laser, eles excitaram um par elétron-buraco no ponto quântico para criar uma quasipartícula composta por dois buracos e um elétron. Com um segundo laser, eles desencadearam o processo radiativo Auger para elevar um buraco a uma série de estados de energia mais elevados.

Dois estados simultaneamente

A equipe usou pulsos de laser ajustados para criar uma superposição entre o estado fundamental do buraco e o estado de energia mais alta. O buraco existia, portanto, em ambos os estados simultaneamente. Tais superposições são a base dos bits quânticos, que, diferentemente dos bits convencionais, existem não apenas nos estados “0” e “1”, mas também nas superposições de ambos.

Hans-Georg Babin produziu as amostras de semicondutores de alta pureza para o experimento na Ruhr University Bochum sob a supervisão do Dr. Arne Ludwig na Cátedra de Física Aplicada do Estado Sólido chefiada pelo Professor Andreas Wieck. No processo, os pesquisadores aumentaram a homogeneidade do conjunto dos pontos quânticos e garantiram a alta pureza das estruturas produzidas. Estas medidas facilitaram a realização das experiências pelos parceiros chineses que trabalham com Jun-Yong Yan e Feng Liu.

Mais informações: Jun-Yong Yan et al, Controle coerente de um buraco orbital alto em um ponto quântico semicondutor, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01442-y
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

Fornecido por Ruhr-Universitaet-Bochum