Un nuevo tipo de bit cuántico en nanoestructuras semiconductoras

25 de julio de 2023

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por Julia Weiler, Universidad del Ruhr-Bochum

Los investigadores han creado un estado de superposición cuántica en una nanoestructura semiconductora que podría servir como base para la computación cuántica. El truco: dos pulsos láser ópticos que actúan como un único pulso láser de terahercios.

Un equipo de investigación alemán-chino ha creado con éxito un bit cuántico en una nanoestructura semiconductora. Utilizando una transición de energía especial, los investigadores crearon un estado de superposición en un punto cuántico (una pequeña área del semiconductor) en el que un agujero de electrón poseía simultáneamente dos niveles de energía diferentes. Estos estados de superposición son fundamentales para la computación cuántica.

Sin embargo, la excitación del estado requeriría un láser de electrones libres a gran escala que pueda emitir luz en el rango de los terahercios. Además, esta longitud de onda es demasiado larga para enfocar el haz en el pequeño punto cuántico. El equipo alemán-chino ha logrado la excitación con dos pulsos láser ópticos de longitud de onda corta finamente sintonizados.

El equipo dirigido por Feng Liu de la Universidad de Zhejiang en Hangzhou, junto con un grupo dirigido por el Dr. Arne Ludwig de la Universidad Ruhr de Bochum y otros investigadores de China y el Reino Unido, informan sus hallazgos en la revista Nature Nanotechnology, publicado en línea el 24 de julio de 2023. .

El equipo utilizó la llamada transición radiativa Auger. En este proceso, un electrón se recombina con un hueco, liberando su energía en parte en forma de un solo fotón y en parte transfiriendo la energía a otro electrón. El mismo proceso también se puede observar con los huecos de electrones; en otras palabras, con los electrones faltantes. En 2021, un equipo de investigación logró por primera vez estimular específicamente la transición radiativa Auger en un semiconductor.

En el proyecto actual, los investigadores demostraron que el proceso radiativo Auger se puede impulsar de forma coherente. Utilizaron dos rayos láser diferentes con intensidades en una proporción específica entre sí. Con el primer láser excitaron un par electrón-hueco en el punto cuántico para crear una cuasipartícula formada por dos agujeros y un electrón. Con un segundo láser, desencadenaron el proceso radiativo Auger para elevar un agujero a una serie de estados de mayor energía.

El equipo utilizó pulsos láser finamente sintonizados para crear una superposición entre el estado fundamental del agujero y el estado de mayor energía. Por tanto, el agujero existía en ambos estados simultáneamente. Estas superposiciones son la base de los bits cuánticos que, a diferencia de los bits convencionales, existen no sólo en los estados "0" y "1", sino también en superposiciones de ambos.

Hans-Georg Babin produjo las muestras de semiconductores de alta pureza para el experimento en la Universidad del Ruhr en Bochum bajo la supervisión del Dr. Arne Ludwig en la Cátedra de Física Aplicada del Estado Sólido, dirigida por el Profesor Andreas Wieck. De este modo, los investigadores aumentaron la homogeneidad del conjunto de los puntos cuánticos y garantizaron la alta pureza de las estructuras producidas. Estas medidas facilitaron la realización de los experimentos por parte de los socios chinos que trabajaron con Jun-Yong Yan y Feng Liu.

Más información: Jun-Yong Yan et al, Control coherente de un agujero orbital alto en un punto cuántico semiconductor, Nature Nanotechnology (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01442-y

Información de la revista:Nanotecnología de la naturaleza

Proporcionado por la Ruhr-Universität-Bochum