De "donkere" kant van de spin-physica

Rasterkrachtmicroscopische opname van een microlens die gericht boven een kwantumdot is bevestigd. De spin-toestand van het donkere exciton in de kwantumdot bevat de kwantuminformatie, dus het qubit. (© Dr. Tobias Heindel)

Onderzoekers van het Instituut voor Vastestoffysica van de TU Berlin zijn in samenwerking met het Technion in Haifa, Israël, erin geslaagd om nieuwe kwantuminformatie-dragers te realiseren die mogelijk ingezet kunnen worden in de kwantuminformatieverwerking.

Kwantumcomputers zijn in het nieuws en worden wereldwijd onderzocht. Internationale topleden zetten daarvoor tegenwoordig ook in op zogenaamde 'donkere excitonen' als informatie-dragers. Deze speciale 'quasipartikels', die bestaan uit gebonden elektronen-hol-paren in een vaste kristallijn, vormen veelbelovende kandidaten voor kwantum-informatie-dragers – de zogenaamde qubits of ook wel kwbits genoemd. 'Een qubit op basis van een donkere exciton is in staat om informatie op te slaan in zijn spin-toestand. Dit kun je vergelijken met een klassiek bit in een computer. In tegenstelling tot een klassiek bit kan een qubit echter niet alleen de toestand ‘1’ of ‘0’ vertegenwoordigen, maar kan in principe oneindig veel tussentoestanden aannemen,' legt Dr. Tobias Heindel uit, medewerker van de werkgroep van Prof. Dr. Stephan Reitzenstein, hoofd van de afdeling Opto-elektronica en kwantumcomponenten aan de TU Berlin.

Bij het gebruik van donkere excitonen is er echter een probleem: zoals de naam al doet vermoeden, zijn ze op zichzelf niet in staat om licht uit te zenden en daardoor moeilijk te detecteren. Juist door de duisternis worden deze excitonen interessant voor hun toepassing als kwantumgeheugen: zodra een donkere exciton is gegenereerd, kan deze de informatie tot een microseconde lang opslaan – en daarmee duizend keer langer dan in gewone heldere exciton-toestanden.

Het team van de TU Berlin is er nu niet alleen in geslaagd om de spin-toestand en daarmee de informatie van een donkere exciton uit te lezen, maar ook om deze gericht te lokaliseren in een nanobestanddeel.

Het nanobestanddeel waarin de onderzoekers donkere excitonen konden isoleren, is een halfgeleider-kwantumpunt dat zich in het brandpunt van een microscopisch kleine lens bevindt. Om de donkere exciton überhaupt te kunnen genereren en vervolgens de spin-toestand uit te lezen, gebruikten de onderzoekers een truc die de Israëlische samenwerkingspartners in 2010 ontwikkelden: men ontdoet het kwantumpunt van de in de spin-toestand opgeslagen kwantuminformatie door een ander, doelbewust ingebracht elektron, dat de exciton – eenvoudig gezegd – van donker naar licht schakelt. Nu kan de exciton een detecteerbaar lichtquanta uitzenden. Het slimme hieraan is dat de polarisatie van dit lichtdeeltje de informatie bevat over de spin-toestand van de oorspronkelijke donkere exciton.

Het grote voordeel ten opzichte van eerdere experimenten ligt in het nanobestanddeel dat aan de TU Berlin is ontwikkeld. Een speciale microscopische lens wordt in een uniek en wereldwijd alleen in de werkgroep Reitzenstein beheerst proces doelbewust over het eerder geselecteerde kwantumpunt geplaatst. 'De lens verzamelt de uitgezonden lichtquanta en bundelt ze in de richting van de detector. Zo kan de spin-toestand van de donkere exciton veel vaker worden uitgelezen dan zonder deze lens, wat later cruciaal zal zijn voor de overdrachtssnelheid van de kwantuminformatie. Door deze demonstratie konden we laten zien dat donkere excitonen als duurzame qubits ingezet kunnen worden, waardoor toekomstige toepassingen in de kwantuminformatieverwerking mogelijk worden,' aldus Heindel.

De experimentele werkzaamheden aan deze nieuwe kwantuminformatie-drager werden door Dr. Tobias Heindel en zijn collega’s deels uitgevoerd in de werkgroep Reitzenstein aan de TU Berlin en in de onderzoeksgroep van Prof. Dr. David Gershoni aan het Forschungsinstitut Technion (Israël Instituut voor Technologie) in Haifa, Israël. Dit onderzoek werd gefinancierd door de German-Israeli Foundation for Scientific Research and Development.

Het artikel is gepubliceerd in het open access vakblad APL Photonics van het American Institute of Physics* en werd erkend als een belangrijke doorbraak op dit gebied.

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