El lado "oscuro" de la física del espín

Imagen de microscopía de fuerza raster con una microlente fijada específicamente sobre un punto cuántico. El estado de espín del excitón oscuro en el punto cuántico contiene la información cuántica, es decir, el qubit. (© Dr. Tobias Heindel)

Investigadoras e investigadores del Instituto de Física de Sólidos de la TU Berlin han logrado, en cooperación con el Instituto de Investigación Technion en Haifa, Israel, crear nuevos portadores de información cuántica que podrían ser utilizados en el procesamiento de información cuántica.

Las computadoras cuánticas están en boca de todos y se investigan en todo el mundo. Equipos líderes internacionales están empezando a utilizar también los llamados "excitones oscuros" como portadores de información. Estos "cuasipartículas" especiales, que consisten en pares enlazados de electrones y huecos en un cristal sólido, representan candidatos prometedores para portadores de información cuántica, los llamados qubits o bits cuánticos. "Un qubit basado en un excitón oscuro puede almacenar información en su estado de espín. Esto se puede imaginar de manera similar a un bit clásico en una computadora. Sin embargo, a diferencia de un bit clásico, un qubit no solo puede representar los estados '1' o '0', sino que puede, en principio, adoptar un número infinito de estados intermedios", explica el Dr. Tobias Heindel, miembro del grupo de trabajo del Prof. Dr. Stephan Reitzenstein, jefe del departamento de optoelectrónica y componentes cuánticos en la TU Berlin.

Sin embargo, al usar excitones oscuros, existe un problema: como su nombre indica, por sí solos no pueden emitir luz y, por lo tanto, son difíciles de detectar. Pero precisamente esa oscuridad hace que estos excitones sean interesantes para su uso como memoria cuántica: una vez generado un excitón oscuro, puede almacenar la información durante aproximadamente una microsegundo, ¡es decir, mil veces más que en los estados de excitón brillante habituales!

Ahora, el equipo de la TU Berlin, junto con el equipo de investigadores israelí, no solo ha logrado leer el estado de espín y, por tanto, la información de un excitón oscuro, sino también localizarlo específicamente en una nanoestructura.

La nanoestructura en la que los investigadores pudieron aislar excitones oscuros es un punto cuántico semiconductor, que se encuentra en el foco de una lente microscópica. Para poder generar un excitón oscuro y posteriormente leer su estado de espín, los investigadores utilizaron un truco desarrollado en 2010 por los socios de cooperación israelíes: se extrae del punto cuántico la información cuántica almacenada en el estado de espín mediante un electrón adicional introducido de manera controlada, que cambia el excitón de oscuro a brillante. Ahora, el excitón puede emitir un fotón detectable. La clave: la polarización de este fotón lleva la información sobre el estado de espín del excitón oscuro original.

La gran ventaja respecto a experimentos anteriores radica en la nanoestructura desarrollada en la TU Berlin. Una lente microscópica especial se coloca de manera específica sobre el punto cuántico seleccionado previamente, mediante un procedimiento único y solo dominado en el grupo de Reitzenstein a nivel mundial. "La lente recoge los fotones emitidos y los concentra en la dirección del detector. De este modo, el estado de espín del excitón oscuro puede leerse con mucha mayor frecuencia que sin esta lente, lo cual será decisivo para la tasa de transmisión de la información cuántica. Con esta demostración, hemos podido mostrar que los excitones oscuros pueden usarse como qubits duraderos, lo que abre la puerta a futuras aplicaciones en el procesamiento de información cuántica", afirma Heindel.

Los trabajos experimentales sobre este novedoso portador de información cuántica fueron realizados por el Dr. Tobias Heindel y sus colegas, en parte en el grupo de Reitzenstein en la TU Berlin y en parte en el grupo de investigación del Prof. Dr. David Gershoni en el Instituto de Investigación Technion (Instituto de Tecnología de Israel) en Haifa, Israel. Esta investigación fue financiada por la Fundación Germano-Israelí para la Investigación Científica y el Desarrollo.

El artículo fue publicado en la revista de acceso abierto APL Photonics del Instituto Americano de Física* y destacado como un avance importante en el campo.

* T. Heindel et al., Accediendo al espín del excitón oscuro en microlentes de puntos cuánticos deterministas, APL Photonics 2, 121303 (2017).