Ciemna strona fizyki spinów

Rasterkraftmikroskopische Aufnahme einer gezielt über einem Quantenpunkt fixierten Mikrolinse. Der Spin-Zustand des dunklen Exziton in dem Quantenpunkt birgt die Quanteninformation, also das Qubit. (© Dr. Tobias Heindel)

Badacze z Instytutu Fizyki Stałych Ciał na TU Berlin, we współpracy z Instytutem Badawczym Technion w Hajfie, Izrael, z powodzeniem zrealizowali nowatorskie nośniki informacji kwantowej, które mogą być wykorzystywane w przetwarzaniu informacji kwantowej.

Komputery kwantowe są na ustach wszystkich i są badane na całym świecie. Międzynarodowe zespoły coraz częściej sięgają po tak zwane „ciemne egzony” jako nośniki informacji. Te specjalne „kwasypartykuly”, które składają się z związanych par elektron-luka w kryształach ciała stałego, stanowią obiecujących kandydatów na nośniki kwantowej informacji – tak zwane kwantowe bity lub również Qubity. „Qubit oparty na ciemnym egzonie jest w stanie przechowywać informacje w swoim stanie spinu. Można to porównać do klasycznego bitu w komputerze. Jednak w przeciwieństwie do klasycznego bitu, Qubit nie tylko może reprezentować stan ’1’ lub ’0’, ale może zasadniczo przyjmować nieskończoną liczbę stanów pośrednich” – wyjaśnia dr Tobias Heindel, pracownik grupy badawczej prof. dr Stephana Reitzensteina, kierownika działu elektroniki optoelektronicznej i elementów kwantowych na TU Berlin.

Przy użyciu ciemnych egzonych pojawia się jednak problem: jak już sugeruje ich nazwa, same w sobie nie są zdolne do emisji światła, co utrudnia ich wykrycie. To właśnie ciemność czyni te egzony interesującymi jako pamięci kwantowe: gdy ciemny egzom zostanie już wytworzony, może przechowywać informacje przez mikrosekundę – co jest tysiąc razy dłużej niż w zwykłych, jasnych stanach egzonu.

Teraz zespół z TU Berlin wraz z izraelskim zespołem badawczym nie tylko udało się odczytać stan spinu i tym samym informacje z ciemnego egzonu, ale także celowo zlokalizować je w nanostrukturze.

Nanostruktura, w której badacze mogli izolować ciemne egzony, to półprzewodnikowy punkt kwantowy, umieszczony w ognisku mikroskopijnej soczewki. Aby jednak móc wytworzyć ciemny egzom i następnie odczytać jego stan spinu, badacze zastosowali trik opracowany przez izraelskich partnerów w 2010 roku: wywołują kwantową informację przechowywaną w stanie spinu w punkcie kwantowym za pomocą kolejnego celowo wprowadzonego elektronu, który – upraszczając – przełącza egzom z ciemnego na jasny. Dzięki temu egzom może emitować wykrywalny kwant światła. Kluczowe jest to, że polaryzacja tego kwantu światła zawiera informację o stanie spinu pierwotnego ciemnego egzonu.

Główną zaletą w porównaniu do wcześniejszych eksperymentów jest nanostruktura opracowana na TU Berlin. Specjalna mikroskopijna soczewka jest celowo umieszczana nad wcześniej wybranym punktem kwantowym za pomocą unikalnej, jedynej na świecie metody, którą opanowała grupa Reitzensteina. „Soczewka zbiera emitowane kwanty światła i skupia je w kierunku detektora. Dzięki temu można znacznie częściej odczytywać stan spinu ciemnego egzonu niż bez tej soczewki, co później będzie miało kluczowe znaczenie dla szybkości przesyłu informacji kwantowej. Dzięki tej demonstracji mogliśmy pokazać, że ciemne egzony mogą być wykorzystywane jako trwałe Qubity, co otwiera drogę do przyszłych zastosowań w przetwarzaniu informacji kwantowej” – mówi Heindel.

Prace eksperymentalne nad tym nowatorskim nośnikiem informacji kwantowej zostały przeprowadzone przez dr. Tobias Heindela i jego kolegów częściowo w grupie Reitzensteina na TU Berlin, a także w grupie badawczej prof. dr Davida Gershoniego w Instytucie Badawczym Technion w Hajfie, Izrael. Badania te były finansowane przez Fundację Niemiecko-Izraelską na rzecz Badań Naukowych i Rozwoju.

Artykuł został opublikowany w otwartym dostępie w czasopiśmie specjalistycznym APL Photonics amerykańskiego Instytutu Fizyki* i został wyróżniony jako ważny przełom w tej dziedzinie.

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