Le côté « sombre » de la physique du spin

Image rastermikroskopique d'une micro-lentille fixée de manière ciblée au-dessus d'un point quantique. L'état de spin de l'exiton sombre dans le point quantique contient l'information quantique, c'est-à-dire le qubit. (© Dr. Tobias Heindel)

Des chercheurs de l'Institut de Physique de la Matière Condensée de la TU Berlin, en collaboration avec l'Institut de Recherche Technion à Haïfa, en Israël, ont réussi à réaliser de nouveaux porteurs d'information quantique, qui pourraient être utilisés dans le traitement de l'information quantique.

Les ordinateurs quantiques sont sur toutes les lèvres et font l'objet de recherches dans le monde entier. Des équipes internationales de premier plan se tournent désormais également vers ce qu'on appelle les « excitons sombres » comme porteurs d'information. Ces « quasiparticules » particulières, composées de paires électron-trou liées dans un cristal solide, représentent des candidats prometteurs pour les porteurs d'information quantique — les fameux qubits ou bits quantiques. « Un qubit basé sur un exciton sombre est capable de stocker de l'information dans son état de spin. On peut l'imaginer comme un bit classique dans un ordinateur. Cependant, contrairement à un bit classique, un qubit n'est pas seulement capable de représenter l'état '1' ou '0', mais peut théoriquement prendre une infinité d'états intermédiaires », explique le Dr Tobias Heindel, collaborateur du groupe de travail du Prof. Dr Stephan Reitzenstein, chef du département d'optoélectronique et d'éléments quantiques à la TU Berlin.

Lors de l'utilisation d'excitons sombres, il existe cependant un problème : comme leur nom l'indique, ils ne sont pas capables d'émettre de la lumière en soi, ce qui les rend difficiles à détecter. C'est justement cette obscurité qui rend ces excitons intéressants pour leur utilisation comme mémoire quantique : une fois qu'un exciton sombre est créé, il peut stocker l'information pendant une microseconde — soit mille fois plus longtemps que dans les états d'excitons lumineux habituels.

Ce n'est pas seulement le groupe de la TU Berlin, mais aussi l'équipe de chercheurs israéliens qui a réussi à non seulement lire l'état de spin et donc l'information d'un exciton sombre, mais aussi à le localiser précisément dans une nano-composante.

La nano-composante dans laquelle les chercheurs ont pu isoler des excitons sombres est un point quantique semi-conducteur, situé au foyer d'une lentille microscopique. Cependant, pour pouvoir créer un exciton sombre et ensuite lire son état de spin, les chercheurs ont utilisé une astuce développée en 2010 par leurs partenaires israéliens : on extrait de ce point quantique l'information quantique stockée dans l'état de spin à l'aide d'un électron supplémentaire introduit intentionnellement, qui fait passer l'exciton — simplifié, pour faire court — de sombre à lumineux. L'exciton peut alors émettre un quantum de lumière détectable. La particularité : la polarisation de cette particule lumineuse contient l'information sur l'état de spin de l'exciton sombre d'origine.

L'avantage majeur par rapport aux expériences précédentes réside ici dans la nano-composante développée à la TU Berlin. Une lentille microscopique spéciale est placée de manière ciblée au-dessus du point quantique sélectionné, selon une procédure unique et uniquement maîtrisée par le groupe Reitzenstein dans le monde. « La lentille collecte les quanta de lumière émis et les concentre en direction du détecteur. Ainsi, l'état de spin de l'exciton sombre peut être lu beaucoup plus fréquemment qu'en l'absence de cette lentille, ce qui sera crucial pour le taux de transmission de l'information quantique ultérieurement. Grâce à cette démonstration, nous avons montré que les excitons sombres peuvent être utilisés comme qubits durables, ouvrant la voie à des applications futures dans le traitement de l'information quantique », explique Heindel.

Les travaux expérimentaux sur ce nouveau porteur d'information quantique ont été réalisés par le Dr Tobias Heindel et ses collègues, en partie au sein du groupe Reitzenstein à la TU Berlin, ainsi que dans le groupe de recherche du Prof. Dr David Gershoni à l'Institut de Recherche Technion (Israeli Institute of Technology) à Haïfa, en Israël. Ces recherches ont été financées par la Fondation germano-israélienne pour la recherche scientifique et le développement.

L'article a été publié dans la revue en accès libre APL Photonics de l'American Institute of Physics* et a été présenté comme une avancée majeure dans ce domaine.

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