La "lato oscura" della fisica dello spin

Immagine rasterkraftmicroscopica di una microlente fissata miratamente sopra un punto quantistico. Lo stato di spin dell' excitone oscuro nel punto quantistico contiene l'informazione quantistica, cioè il qubit. (© Dr. Tobias Heindel)

Ricercatori e ricercatrici dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido della TU Berlin sono riusciti, in collaborazione con l'Istituto di Ricerca Technion di Haifa, Israele, a realizzare nuovi portatori di informazione quantistica che potrebbero essere impiegati nell'elaborazione dell'informazione quantistica.

I computer quantistici sono sulla bocca di tutti e vengono studiati in tutto il mondo. I team leader internazionali stanno recentemente puntando anche sui cosiddetti "eszitoni oscuri" come portatori di informazione. Questi particolari "quasiparticelle", composte da coppie di elettroni e lacune legate in un cristallo di materiale solido, rappresentano candidati promettenti per i portatori di informazione quantistica – i cosiddetti qubit o anche bit quantistici. "Un qubit basato su un eszitone oscuro è in grado di memorizzare informazioni nel suo stato di spin. Si può immaginare come un bit classico in un computer. Tuttavia, a differenza di un bit classico, un qubit non è solo in grado di rappresentare lo stato '1' o '0', ma può assumere, in linea di principio, infiniti stati intermedi", spiega il Dr. Tobias Heindel, membro del gruppo di lavoro del Prof. Dr. Stephan Reitzenstein, responsabile del settore di Otticoelettronica e componenti quantistici presso la TU Berlin.

Tuttavia, l'uso degli eszitoni oscuri presenta un problema: come suggerisce il nome, di per sé non sono in grado di emettere luce, rendendoli difficili da individuare. Tuttavia, proprio questa oscurità rende questi eszitoni interessanti per il loro impiego come memorie quantistiche: una volta generato un eszitone oscuro, può memorizzare l'informazione per circa un microsecondo – e quindi mille volte più a lungo rispetto agli stati di eszitoni chiari usuali.

Ora, il team della TU Berlin, insieme a quello israeliano, è riuscito non solo a leggere lo stato di spin e quindi l'informazione di un eszitone oscuro, ma anche a localizzarlo in modo mirato all’interno di una nanostruttura.

La nanostruttura in cui i ricercatori sono riusciti a isolare gli eszitoni oscuri è un punto quantistico semiconduttore, posizionato nel fuoco di una microscopica lente. Per generare un eszitone oscuro e successivamente leggere il suo stato di spin, i ricercatori hanno utilizzato un trucco sviluppato dai partner israeliani nel 2010: si induce nel punto quantistico l'informazione quantistica memorizzata nello stato di spin tramite un ulteriore elettrone inserito appositamente, che fa passare l'eszitone – semplificando – da oscuro a chiaro. A questo punto, l'eszitone può emettere un quanto di luce rilevabile. La particolarità: la polarizzazione di questa particella di luce contiene l'informazione sullo stato di spin dell'eszitone oscuro originario.

Il grande vantaggio rispetto agli esperimenti precedenti risiede nella nanostruttura sviluppata alla TU Berlin. Una lente microscopica speciale viene posizionata in modo mirato sopra il punto quantistico selezionato, utilizzando una tecnica unica e riconosciuta a livello mondiale solo nel gruppo di Reitzenstein. "La lente raccoglie i quanti di luce emessi e li concentra verso il rilevatore. In questo modo, lo stato di spin dell'eszitone oscuro può essere letto molto più frequentemente rispetto a quanto possibile senza questa lente, il che sarà decisivo per la velocità di trasmissione dell'informazione quantistica. Con questa dimostrazione, abbiamo mostrato che gli eszitoni oscuri possono essere usati come qubit duraturi, aprendo la strada a future applicazioni nell'elaborazione dell'informazione quantistica", afferma Heindel.

Le attività sperimentali relative a questo nuovo portatore di informazione quantistica sono state condotte da Dr. Tobias Heindel e dai suoi colleghi, in parte presso il gruppo di Reitzenstein alla TU Berlin e presso il gruppo di ricerca del Prof. Dr. David Gershoni all'Istituto di Ricerca Technion (Israeli Institute of Technology) di Haifa, Israele. Questa ricerca è stata finanziata dalla Fondazione tedesco-israeliana per la Ricerca Scientifica e lo Sviluppo.

L'articolo è stato pubblicato nella rivista open access APL Photonics dell'American Institute of Physics* ed è stato evidenziato come un importante progresso nel campo.

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