Para construir las computadoras cuánticas del mañana, algunos investigadores están recurriendo a excitones oscuros, que son pares unidos de un electrón y la ausencia de un electrón llamado agujero. Como un bit cuántico prometedor, o qubit, puede almacenar información en su estado de giro, análogo a cómo un regular, El bit clásico almacena información en su estado apagado o encendido. Pero un problema es que los excitones oscuros no emiten luz, lo que dificulta determinar sus giros y usarlos para el procesamiento de información cuántica.

En nuevos experimentos, sin embargo, los investigadores no solo pueden leer los estados de giro de los excitones oscuros, pero también pueden hacerlo de manera más eficiente que antes. Su demostración, descrito esta semana en APL Photonics , puede ayudar a los investigadores a ampliar los sistemas de excitones oscuros para construir dispositivos más grandes para la computación cuántica.

"Se requiere una gran eficiencia de extracción y recolección de fotones para llevar los experimentos más allá de la etapa de prueba de principio, ", dijo Tobias Heindel de la Universidad Técnica de Berlín.

Cuando un electrón en un semiconductor se excita a un nivel de energía más alto, deja un agujero. Pero el electrón todavía puede estar ligado al agujero cargado positivamente, juntos formando un excitón. Los investigadores pueden atrapar estos excitones en puntos cuánticos, partículas semiconductoras a nanoescala cuyas propiedades cuánticas son como las de los átomos individuales.

Si el electrón y el agujero tienen giros opuestos, las dos partículas pueden recombinarse fácilmente y emitir un fotón. Estos pares de electrones y huecos se denominan excitones brillantes. Pero si tienen los mismos giros, el electrón y el hueco no pueden recombinarse fácilmente. El excitón no puede emitir luz y, por lo tanto, se denomina excitón oscuro.

Esta oscuridad es parte de por qué los excitones oscuros son qubits prometedores. Debido a que los excitones oscuros no pueden emitir luz, no pueden relajarse a un nivel de energía más bajo. Por lo tanto, Los excitones oscuros persisten con una vida relativamente larga. que dura más de un microsegundo, mil veces más que un excitón brillante y lo suficiente para funcionar como un qubit.

Todavía, la oscuridad plantea un desafío. Debido a que el excitón oscuro está cerrado a la luz, no se pueden usar fotones para leer los estados de espín, o cualquier información que pueda contener un qubit de excitón oscuro.

Pero en 2010, un equipo de físicos del Instituto de Tecnología Technion-Israel descubrió cómo penetrar en la oscuridad. Resulta que dos excitones juntos pueden formar un estado metaestable. Cuando este llamado estado de biexcitón bloqueado por espín se relaja a un nivel de energía más bajo, deja un excitón oscuro mientras emite un fotón. Al detectar este fotón, los investigadores sabrían que se creó un excitón oscuro.

Para luego leer el giro del excitón oscuro, los investigadores introducen un electrón o un agujero adicional. Si el nuevo portador de carga es un electrón spin-up, por ejemplo, se combina con el agujero giratorio del excitón oscuro, formando un excitón brillante que decae rápidamente y produce un fotón. El excitón oscuro se destruye. Pero midiendo la polarización del fotón emitido, los investigadores pueden determinar cuál fue el giro del excitón oscuro.

Como en los experimentos de 2010, los nuevos miden excitones oscuros dentro de puntos cuánticos. Pero a diferencia del estudio anterior, los nuevos experimentos utilizan una microlente que se ajusta a un punto cuántico individual que se seleccionó de antemano. La lente permite a los investigadores capturar y medir más fotones, crucial para los dispositivos de información cuántica a gran escala. Su enfoque también les permite elegir los puntos cuánticos más brillantes para medir.

"Esto significa que podemos detectar más fotones de los estados excitónicos relacionados por tiempo, lo que nos permite acceder a los giros del excitón oscuro con más frecuencia, "Dijo Heindel.

La medición de los giros del excitón oscuro también revela la frecuencia de su precesión, una oscilación entre un estado en el que los giros son hacia arriba o hacia abajo. Sabiendo este número, Heindel explicó, es necesario cuando se utilizan excitones oscuros para generar estados cuánticos de luz que son prometedores para aplicaciones de información cuántica. Para estos estados, llamados estados de racimo de fotones entrelazados, las propiedades de la mecánica cuántica se conservan incluso si se destruyen partes del estado, lo que es necesario para los sistemas de información cuántica resistentes a errores.