Een nieuw type quantumbit in halfgeleider nanostructuren

Onderzoekers hebben een kwantumsuperpositietoestand gecreëerd in een halfgeleider nanostructuur die als basis zou kunnen dienen voor kwantumcomputing. De truc: twee optische laserpulsen die werken als een enkele terahertz-laserpuls.

Een Duits-Chinees onderzoeksteam heeft met succes een quantumbit gemaakt in een halfgeleider nanostructuur. Met behulp van een speciale energietransitie creëerden de onderzoekers een superpositietoestand in een kwantumdot – een klein gebied van de halfgeleider – waarin een elektronengat tegelijkertijd twee verschillende energieniveaus bezat. Dergelijke superpositietoestanden zijn fundamenteel voor kwantumcomputing.

Voor excitatie van de toestand is echter een grootschalige vrije-elektronenlaser nodig die licht kan uitzenden in het terahertz-bereik. Bovendien is deze golflengte te lang om de straal op de kleine kwantumdot te focussen. Het Duits-Chinese team heeft de excitatie nu bereikt met twee fijn afgestemde optische laserpulsen met een korte golflengte.

Het team onder leiding van Feng Liu van de Zhejiang University in Hangzhou, samen met een groep onder leiding van Dr. Arne Ludwig van de Ruhr University Bochum en andere onderzoekers uit China en het VK, rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Natuur Nanotechnologieonline gepubliceerd op 24 juli 2023.

Lasers activeren het stralende Auger-proces

Het team maakte gebruik van de zogenaamde stralende Auger-overgang. In dit proces recombineert een elektron met een gat, waarbij zijn energie deels vrijkomt in de vorm van een enkel foton en deels door de energie over te dragen aan een ander elektron. Hetzelfde proces kan ook worden waargenomen met elektronengaten, met andere woorden, ontbrekende elektronen. In 2021 slaagde een onderzoeksteam er voor het eerst in om specifiek de stralende Auger-overgang in een halfgeleider te stimuleren.

In het huidige project toonden de onderzoekers aan dat het stralende Auger-proces coherent kan worden aangestuurd. Ze gebruikten twee verschillende laserstralen met intensiteiten in een specifieke verhouding tot elkaar. Met de eerste laser hebben ze een elektron-gat-paar in de kwantumdot geëxciteerd om een ​​quasi-deeltje te creëren dat bestaat uit twee gaten en een elektron. Met een tweede laser activeerden ze het stralende Auger-proces om één gat naar een reeks hogere energietoestanden te verheffen.

Twee toestanden tegelijk

Het team gebruikte fijn afgestemde laserpulsen om een ​​superpositie te creëren tussen de grondtoestand van het gat en de hogere energietoestand. Het gat bestond dus in beide toestanden tegelijk. Dergelijke superposities vormen de basis voor kwantumbits, die, in tegenstelling tot conventionele bits, niet alleen bestaan ​​in de toestanden “0” en “1”, maar ook in superposities van beide.

Hans-Georg Babin produceerde de zeer zuivere halfgeleidermonsters voor het experiment aan de Ruhr-universiteit in Bochum onder supervisie van Dr. Arne Ludwig op de leerstoel voor toegepaste vaste-stoffysica onder leiding van professor Andreas Wieck. Tijdens het proces verhoogden de onderzoekers de ensemble-homogeniteit van de kwantumdots en zorgden ze voor de hoge zuiverheid van de geproduceerde structuren. Deze maatregelen vergemakkelijkten de uitvoering van de experimenten door de Chinese partners die samenwerkten met Jun-Yong Yan en Feng Liu.