A spin-fizika „sötét” oldala

Rasztererőmikroszkópos felvétel egy célzottan egy kvantumpont fölé rögzített mikrolencséről. A kvantumponton belüli sötét exiton spinállapota tartalmazza a kvantuminformációt, azaz a Qubitet. (© Dr. Tobias Heindel)

Az Berlin Műszaki Egyetem Szilárdtestfizikai Intézetének kutatóinak sikerült, együttműködve a Haifai Technion Kutatóintézettel, új típusú kvantuminformáció-szállítókat megvalósítaniuk, amelyek a kvantuminformáció-feldolgozásban alkalmazhatók lehetnek.

A kvantumszámítógépek mindenki szívében ott vannak, és világszerte kutatják őket. Nemzetközi vezető csapatok mostanában a „sötét excitonokra” is támaszkodnak információszállítóként. Ezek a speciális „kvaziparciális részecskék”, amelyek kötött elektron-lyukpárokból állnak egy szilárdtestkristályban, ígéretes jelöltek a kvantuminformáció-szállítók számára – az úgynevezett kvantumbitek vagy Qubitek. „Egy sötét exciton alapú Qubit képes tárolni az információt a spin-állapotában. Ez hasonló ahhoz, mint egy klasszikus bit egy számítógépben. Azonban egy klasszikus bithez képest a Qubit nemcsak az ’1’ vagy a ’0’ állapotot képes reprezentálni, hanem alapvetően végtelen sok köztes állapotot is felvehet” – magyarázza Dr. Tobias Heindel, a Prof. Dr. Stephan Reitzenstein által vezetett csoport munkatársa, az optoelektronika és kvantumépítőelemek szakterületének vezetője a Berlin Műszaki Egyetemen.

Azonban a sötét excitonok használatakor van egy probléma: ahogy a nevük is mutatja, önmagukban nem képesek fényt kibocsátani, így nehezen észlelhetők. Pontosan ez a sötétség teszi azonban ezeket az excitonokat érdekesekké kvantumszámítási alkalmazásuk szempontjából: ha egy sötét excitont egyszer már létrehoztak, az akár egy mikrosekundán keresztül is tárolhatja az információt – ez ezerszer hosszabb ideig tart, mint a szokásos világos exciton-állapotok.

Most a Berlin Műszaki Egyetem csapata és az izraeli kutatócsoport nemcsak sikerült kiolvasniuk egy sötét exciton spin-állapotát és így az információt, hanem célzottan lokalizálták azt egy nanóalkotóelemben is.

A nanóalkotóelem, amelyben a kutatók a sötét excitonokat izolálni tudták, egy félvezető kvantumpont, amely egy mikroszkopikus lencse fókuszpontjában helyezkedik el. Azonban ahhoz, hogy a sötét excitont egyáltalán létrehozzák, és később a spin-állapotát kiolvassák, a kutatók egy trükköt alkalmaztak, amit az izraeli együttműködő partnerek 2010-ben fejlesztettek ki: a kvantumpontból a spin-állapotban tárolt kvantuminformációt egy további, céltudatosan beépített elektron segítségével szabadítják ki, amely egyszerűen színét váltja a excitonnak – a sötétből világosba. Ezután az exciton kibocsát egy észlelhető fénykvantumot. A csavar: ennek a fényrészecskének a polarizációja hordozza az információt az eredeti sötét exciton spin-állapotáról.

A korábbi kísérletekkel szemben itt az egyik nagy előny az, hogy a Berlinben kifejlesztett nanóalkotóelem lehetővé teszi egy speciális mikroszkópos lencse célzott elhelyezését a kiválasztott kvantumponton. „A lencse összegyűjti a kibocsátott fénykvantumokat, és összegyűjti őket a detektor felé. Így sokkal gyakrabban lehet kiolvasni a sötét exciton spin-állapotát, mint nélküle, ami később döntő lesz a kvantuminformáció átviteli sebességében. Ezzel a demonstrációval megmutattuk, hogy a sötét excitonokat tartós Qubit-ként lehet alkalmazni, ezáltal a kvantuminformáció-feldolgozás jövőbeni alkalmazásai is lehetővé válnak” – mondta Heindel.

Az ehhez az újszerű kvantuminformáció-szállítóhoz kapcsolódó kísérleti munkákat Dr. Tobias Heindel és kollégái részben a Berlin Műszaki Egyetem Reitzenstein csoportjában, részben pedig Prof. Dr. David Gershoni kutatócsoportjában végezték a Haifai Technion Kutatóintézetben, Izraelben. Ezt a kutatást a Német–Izraeli Tudományos Kutatási és Fejlesztési Alap támogatta.

A cikk az American Institute of Physics által kiadott APL Photonics szabad hozzáférésű szakfolyóiratban jelent meg*, és kiemelték, mint egy jelentős áttörést a területen.

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