Temná stránka spinové fyziky

Rasterkraftmikroskopische Aufnahme einer gezielt über einem Quantenpunkt fixierten Mikrolinse. Der Spin-Zustand des dunklen Exzitons in dem Quantenpunkt birgt die Quanteninformation, also das Qubit. (© Dr. Tobias Heindel)

Výzkumníci z Ústavu pevné látky na TU Berlín ve spolupráci s Výzkumným institutem Technion v Haifě, Izrael, se podařilo realizovat inovativní kvantové nosiče informace, které by mohly být využity v kvantové informační zpracování.

Kvantové počítače jsou stále v centru pozornosti a jsou zkoumány po celém světě. Mezinárodní týmy nyní také využívají tzv. „temné excitony“ jako nosiče informace. Tyto speciální „kvazičástice“, které se skládají z vázaných elektron-štěpových párů v pevnolátkovém krystalu, představují slibné kandidáty na kvantové nosiče – takzvané kvantové bity nebo také qubity. „Qubit založený na temném excitonu je schopen ukládat informace ve svém spinovém stavu. To si lze představit podobně jako klasický bit v počítači. Na rozdíl od klasického bitu však může qubit teoreticky nabývat nekonečného počtu mezistavů,“ vysvětluje Dr. Tobias Heindel, zaměstnanec pracovního týmu prof. Dr. Stephana Reitzensteina, vedoucího oddělení optoelektroniky a kvantových prvků na TU Berlín.

Při použití temných excitonů však existuje problém: jak již název napovídá, samy o sobě nejsou schopny emitovat světlo, a proto jsou těžko zjistitelné. Právě jejich tma však činí tyto excitony také zajímavými pro jejich využití jako kvantové paměti: Jakmile je temný exciton vytvořen, může uchovávat informaci po mikrosekundu – tedy tisíckrát déle než běžné jasné excitony.

Nyní se týmu z TU Berlín společně s izraelským výzkumným týmem podařilo nejen přečíst spinový stav a tím i informaci temného excitonu, ale také jej cíleně lokalizovat v nanostruktuře.

Nanostruktura, ve které vědci dokázali izolovat temné excitony, je polovodičový kvantový bod, který je umístěn v ohnisku mikroskopicky malé čočky. Aby však bylo možné temný exciton vůbec vytvořit a následně přečíst jeho spinový stav, využili vědci trik, který vyvinuli jejich izraští partneři v roce 2010: z kvantového bodu se uvolní kvantová informace uložená ve spinovém stavu pomocí dalšího cíleně vloženého elektronu, který exciton – zjednodušeně řečeno – přepne ze stavu „temného“ na „světlý“. Nyní může exciton emitovat detekovatelnou kvantum světla. Klíčem je: polarizace tohoto částice světla nese informaci o spinovém stavu původního temného excitonu.

Hlavní výhodou oproti dosavadním experimentům je zde nanostruktura vyvinutá na TU Berlín. Speciální mikroskopická čočka je cíleně umístěna nad předem vybraným kvantovým bodem pomocí unikátního a celosvětově pouze v pracovním týmu Reitzenstein ovládaného postupu. „Čočka sbírá emitované kvantové částice světla a soustřeďuje je směrem ke detektoru. Díky tomu lze spinový stav temného excitonu číst mnohem častěji než bez této čočky, což bude rozhodující pro přenosovou rychlost kvantové informace. Tímto pokusem jsme ukázali, že temné excitony mohou být použity jako dlouhotrvající qubity, což umožní budoucí aplikace v kvantové informační technice,“ říká Heindel.

Experimentální práce na tomto novém kvantovém nosiči informace byly provedeny Dr. Tobiasem Heindelem a jeho kolegy částečně v pracovním týmu Reitzenstein na TU Berlín a v výzkumné skupině prof. Dr. Davida Gershoniho v Izraelském výzkumném institutu Technion v Haifě, Izrael. Tento výzkum byl financován německo-izraelskou nadací pro vědecký výzkum a rozvoj.

Článek byl publikován v otevřeném přístupu v odborném časopise APL Photonics od American Institutes of Physics* a byl vyzdvižen jako důležitý průlom v této oblasti.

* T. Heindel et al., Accessing the dark exciton spin in deterministic quantum dot microlenses, APL Photonics 2, 121303 (2017).