Новый тип квантового бита в полупроводниковых наноструктурах
Исследователи создали состояние квантовой суперпозиции в полупроводниковой наноструктуре, которая может служить основой для квантовых вычислений. Хитрость: два оптических лазерных импульса, которые действуют как один терагерцовый лазерный импульс. Немецко-китайская исследовательская группа успешно создала квантовый бит в полупроводниковой наноструктуре. С помощью особого энергетического перехода исследователи создали состояние суперпозиции в квантовой точке — крошечном участке полупроводника, — в котором электронная дырка одновременно обладает двумя разными энергетическими уровнями. Такие состояния суперпозиции являются фундаментальными для квантовых вычислений.
Исследовательская группа Бохума: Ханс-Георг Бабин (слева) и Арне Людвиг. Кредит: RUB, Марквард
Однако для возбуждения состояния потребуется крупномасштабный лазер на свободных электронах, способный излучать свет в терагерцовом диапазоне. Кроме того, эта длина волны слишком велика, чтобы сфокусировать луч на крошечной квантовой точке. Немецко-китайская команда добилась возбуждения с помощью двух точно настроенных коротковолновых оптических лазерных импульсов.
Команда под руководством Фэн Лю из Чжэцзянского университета в Ханчжоу вместе с группой под руководством доктора Арне Людвига из Рурского университета в Бохуме и другими исследователями из Китая и Великобритании сообщают о своих выводах в журнале Nature Nanotechnology, опубликованном в Интернете 24 июля 2023 года.
Лазеры запускают радиационный оже-процесс
Команда использовала так называемый радиационный оже-переход. В этом процессе электрон рекомбинирует с дыркой, высвобождая свою энергию частично в виде одного фотона и частично передавая энергию другому электрону. Тот же процесс можно наблюдать и с электронными дырками, другими словами, с отсутствующими электронами. В 2021 году исследовательской группе впервые удалось специально стимулировать радиационный оже-переход в полупроводнике.
В текущем проекте исследователи показали, что радиационный Оже-процесс может управляться когерентно. Они использовали два разных лазерных луча с интенсивностью в определенном соотношении друг к другу. С помощью первого лазера они возбудили электронно-дырочную пару в квантовой точке, чтобы создать квазичастицу, состоящую из двух дырок и электрона. С помощью второго лазера они запустили радиационный Оже-процесс, чтобы поднять одно отверстие в ряд более высоких энергетических состояний.
Два состояния одновременно
Команда использовала точно настроенные лазерные импульсы для создания суперпозиции между основным состоянием дырки и состоянием с более высокой энергией. Таким образом, дыра существовала в обоих состояниях одновременно. Такие суперпозиции лежат в основе квантовых битов, которые, в отличие от обычных битов, существуют не только в состояниях «0» и «1», но и в суперпозициях обоих.
Ханс-Георг Бабин изготовил образцы полупроводников высокой чистоты для эксперимента в Рурском университете Бохума под руководством доктора Арне Людвига на кафедре прикладной физики твердого тела, возглавляемой профессором Андреасом Виком. При этом исследователи увеличили однородность ансамбля квантовых точек и обеспечили высокую чистоту получаемых структур. Эти меры облегчили проведение экспериментов китайскими партнерами, работавшими с Цзюнь-Юн Яном и Фэн Лю.
