Pour construire les ordinateurs quantiques de demain, certains chercheurs se tournent vers les excitons sombres, qui sont des paires liées d'un électron et l'absence d'un électron appelé trou. En tant que bit quantique prometteur, ou qubit, il peut stocker des informations dans son état de rotation, analogue à la façon dont un régulier, Le bit classique stocke les informations dans son état désactivé ou activé. Mais un problème est que les excitons sombres n'émettent pas de lumière, ce qui rend difficile la détermination de leurs spins et leur utilisation pour le traitement de l'information quantique.

Dans de nouvelles expériences, cependant, non seulement les chercheurs peuvent lire les états de spin des excitons sombres, mais ils peuvent aussi le faire plus efficacement qu'auparavant. Leur démonstration, décrit cette semaine dans Photonique APL , peut aider les chercheurs à étendre les systèmes d'excitons noirs pour construire des appareils plus grands pour l'informatique quantique.

« Une extraction et une collecte de grands photons efficaces sont nécessaires pour pousser les expériences au-delà de l'étape de la preuve de principe, " a déclaré Tobias Heindel de l'Université technique de Berlin.

Lorsqu'un électron dans un semi-conducteur est excité à un niveau d'énergie plus élevé, il laisse un trou. Mais l'électron peut toujours être lié au trou chargé positivement, formant ensemble un exciton. Les chercheurs peuvent piéger ces excitons dans des points quantiques, particules semi-conductrices à l'échelle nanométrique dont les propriétés quantiques sont similaires à celles des atomes individuels.

Si l'électron et le trou ont des spins opposés, les deux particules peuvent facilement se recombiner et émettre un photon. Ces paires électron-trou sont appelées excitons brillants. Mais s'ils ont les mêmes tours, l'électron et le trou ne peuvent pas se recombiner facilement. L'exciton ne peut pas émettre de lumière et est donc appelé exciton sombre.

Cette obscurité explique en partie pourquoi les excitons sombres sont des qubits prometteurs. Parce que les excitons sombres ne peuvent pas émettre de lumière, ils ne peuvent pas se détendre à un niveau d'énergie inférieur. Par conséquent, les excitons sombres persistent avec une durée de vie relativement longue, durant plus d'une microseconde, mille fois plus longtemps qu'un exciton brillant et assez longtemps pour fonctionner comme un qubit.

Toujours, l'obscurité pose un défi. Parce que l'exciton sombre est fermé à la lumière, vous ne pouvez pas utiliser de photons pour lire les états de spin - ou toute information qu'un qubit d'exciton sombre peut contenir.

Mais en 2010, une équipe de physiciens du Technion-Israel Institute of Technology a découvert comment pénétrer les ténèbres. Il s'avère que deux excitons ensemble peuvent former un état métastable. Lorsque cet état dit de biexciton bloqué par le spin se détend à un niveau d'énergie inférieur, il laisse derrière lui un exciton sombre tout en émettant un photon. En détectant ce photon, les chercheurs sauraient qu'un exciton noir a été créé.

Pour lire ensuite le spin de l'exciton noir, les chercheurs introduisent un électron ou un trou supplémentaire. Si le nouveau porteur de charge est un électron de spin-up, par exemple, il se combine avec le trou de spin-down de l'exciton sombre, formant un exciton brillant qui se désintègre rapidement et produit un photon. L'exciton sombre est détruit. Mais en mesurant la polarisation du photon émis, les chercheurs peuvent déterminer quel était le spin de l'exciton noir.

Comme dans les expériences de 2010, les nouveaux mesurent les excitons sombres à l'intérieur des points quantiques. Mais contrairement à l'étude précédente, les nouvelles expériences utilisent une microlentille qui s'adapte sur un point quantique individuel qui a été sélectionné à l'avance. L'objectif permet aux chercheurs de capturer et de mesurer plus de photons, crucial pour les dispositifs d'information quantique à plus grande échelle. Leur approche leur permet également de choisir les points quantiques les plus brillants à mesurer.

"Cela signifie que nous pouvons détecter plus de photons des états d'excitons associés à la fois, ce qui nous permet d'accéder plus souvent aux spins des excitons sombres, " a déclaré Heindel.

La mesure des spins de l'exciton noir révèle également la fréquence de sa précession, une oscillation entre un état dans lequel les spins sont soit vers le haut, soit vers le bas. Connaissant ce numéro, Heindel a expliqué, est nécessaire lors de l'utilisation d'excitons sombres pour générer des états quantiques de lumière prometteurs pour les applications d'information quantique. Pour ces états, appelés états d'amas de photons intriqués, les propriétés de la mécanique quantique sont préservées même si des parties de l'État sont détruites, ce qui est nécessaire pour des systèmes d'information quantique résistants aux erreurs.