Une impulsion laser qui contourne la symétrie inhérente des ondes lumineuses pourrait manipuler les informations quantiques, nous rapprochant potentiellement de l'informatique quantique à température ambiante.

L'étude, menée par des chercheurs de l'Université de Ratisbonne et de l'Université du Michigan, pourrait également accélérer l'informatique conventionnelle.

L'informatique quantique a le potentiel d'accélérer les solutions aux problèmes qui doivent explorer de nombreuses variables en même temps, y compris la découverte de médicaments, la prévision météorologique et le cryptage pour la cybersécurité. Les bits informatiques conventionnels encodent soit un 1 soit un 0, mais les bits quantiques, ou qubits, peuvent encoder les deux en même temps. Cela permet essentiellement aux ordinateurs quantiques de travailler simultanément sur plusieurs scénarios, plutôt que de les explorer les uns après les autres. Cependant, ces états mixtes ne durent pas longtemps, de sorte que le traitement de l'information doit être plus rapide que ce que les circuits électroniques peuvent rassembler.

Alors que les impulsions laser peuvent être utilisées pour manipuler les états d'énergie des qubits, différentes méthodes de calcul sont possibles si les porteurs de charge utilisés pour coder les informations quantiques peuvent être déplacés, y compris une approche à température ambiante. La lumière térahertz, qui se situe entre le rayonnement infrarouge et micro-ondes, oscille assez rapidement pour fournir la vitesse, mais la forme de l'onde est également un problème. A savoir, les ondes électromagnétiques sont obligées de produire des oscillations à la fois positives et négatives, dont la somme est nulle.

Le cycle positif peut déplacer des porteurs de charge, tels que des électrons. Mais ensuite, le cycle négatif ramène les charges à leur point de départ. Pour contrôler de manière fiable l'information quantique, une onde lumineuse asymétrique est nécessaire.

"L'optimum serait une" onde "unipolaire complètement directionnelle, donc il n'y aurait que le pic central, pas d'oscillations. Ce serait le rêve. Mais la réalité est que les champs lumineux qui se propagent doivent osciller, alors nous essayons de faire the oscillations as small as we can," said Mackillo Kira, U-M professor of electrical engineering and computer science and leader of the theory aspects of the study in Light:Science &Applications .

Since waves that are only positive or only negative are physically impossible, the international team came up with a way to do the next best thing. They created an effectively unipolar wave with a very sharp, high-amplitude positive peak flanked by two long, low-amplitude negative peaks. This makes the positive peak forceful enough to move charge carriers while the negative peaks are too small to have much effect.

They did this by carefully engineering nanosheets of a gallium arsenide semiconductor to design the terahertz emission through the motion of electrons and holes, which are essentially the spaces left behind when electrons move in semiconductors. The nanosheets, each about as thick as one thousandth of a hair, were made in the lab of Dominique Bougeard, a professor of physics at the University of Regensburg in Germany.

Then, the group of Rupert Huber, also a professor of physics at the University of Regensburg, stacked the semiconductor nanosheets in front of a laser. When the near-infrared pulse hit the nanosheet, it generated electrons. Due to the design of the nanosheets, the electrons welcomed separation from the holes, so they shot forward. Then, the pull from the holes drew the electrons back. As the electrons rejoined the holes, they released the energy they'd picked up from the laser pulse as a strong positive terahertz half-cycle preceded and followed by a weak, long negative half-cycle.

"The resulting terahertz emission is stunningly unipolar, with the single positive half-cycle peaking about four times higher than the two negative ones," Huber said. "We have been working for many years on light pulses with fewer and fewer oscillation cycles. The possibility of generating terahertz pulses so short that they effectively comprise less than a single half-oscillation cycle was beyond our bold dreams."

Next, the team intends to use these pulses to manipulate electrons in room temperature quantum materials, exploring mechanisms for quantum information processing. The pulses could also be used for ultrafast processing of conventional information.

"Now that we know the key factor of unipolar pulses, we may be able to shape terahertz pulses to be even more asymmetric and tailored for controlling semiconductor qubits," said Qiannan Wen, a Ph.D. student in applied physics at U-M and a co-first-author of the study, along with Christian Meineke and Michael Prager, Ph.D. students in physics at the University of Regensburg. + Explorer plus loin

Light could make semiconductor computers a million times faster or even go quantum