Per costruire i computer quantistici di domani, alcuni ricercatori si stanno rivolgendo agli eccitoni oscuri, che sono coppie legate di un elettrone e l'assenza di un elettrone chiamato buco. Come un promettente bit quantico, o qubit, può memorizzare informazioni nel suo stato di rotazione, analogo a come un normale, il bit classico memorizza le informazioni nel suo stato spento o acceso. Ma un problema è che gli eccitoni oscuri non emettono luce, rendendo difficile determinare i loro giri e usarli per l'elaborazione delle informazioni quantistiche.

In nuovi esperimenti, però, non solo i ricercatori possono leggere gli stati di spin degli eccitoni oscuri, ma possono anche farlo in modo più efficiente di prima. La loro dimostrazione, descritto questa settimana in Fotonica APL , può aiutare i ricercatori a scalare i sistemi di eccitoni oscuri per costruire dispositivi più grandi per l'informatica quantistica.

"L'estrazione di grandi fotoni e l'efficienza della raccolta sono necessarie per spingere gli esperimenti oltre la fase di prova del principio, ", ha affermato Tobias Heindel dell'Università tecnica di Berlino.

Quando un elettrone in un semiconduttore viene eccitato a un livello di energia superiore, lascia un buco. Ma l'elettrone può ancora essere legato al foro caricato positivamente, insieme formano un eccitone. I ricercatori possono intrappolare questi eccitoni in punti quantici, particelle semiconduttori su scala nanometrica le cui proprietà quantistiche sono simili a quelle dei singoli atomi.

Se l'elettrone e la lacuna hanno spin opposti, le due particelle possono facilmente ricombinarsi ed emettere un fotone. Queste coppie elettrone-lacuna sono chiamate eccitoni luminosi. Ma se hanno gli stessi giri, l'elettrone e la lacuna non possono ricombinarsi facilmente. L'eccitone non può emettere luce ed è quindi chiamato eccitone scuro.

Questa oscurità fa parte del motivo per cui gli eccitoni oscuri sono qubit promettenti. Poiché gli eccitoni oscuri non possono emettere luce, non possono rilassarsi a un livello di energia inferiore. Perciò, gli eccitoni scuri persistono con una vita relativamente lunga, della durata di oltre un microsecondo, mille volte più lungo di un eccitone luminoso e abbastanza a lungo da funzionare come un qubit.

Ancora, l'oscurità rappresenta una sfida. Perché l'eccitone oscuro è chiuso alla luce, non puoi usare i fotoni per leggere gli stati di spin o qualsiasi informazione che possa contenere un qubit di eccitoni scuri.

Ma nel 2010 un team di fisici del Technion-Israel Institute of Technology ha scoperto come penetrare l'oscurità. Si scopre che due eccitoni insieme possono formare uno stato metastabile. Quando questo cosiddetto stato di bieccitone con blocco di spin si rilassa a un livello di energia inferiore, lascia dietro di sé un eccitone scuro mentre emette un fotone. Rilevando questo fotone, i ricercatori saprebbero che è stato creato un eccitone oscuro.

Per poi leggere la rotazione dell'eccitone oscuro, i ricercatori introducono un ulteriore elettrone o lacuna. Se il nuovo portatore di carica è un elettrone con spin-up, Per esempio, si combina con il foro spin-down dell'eccitone scuro, formando un eccitone luminoso che decade rapidamente e produce un fotone. L'eccitone oscuro viene distrutto. Ma misurando la polarizzazione del fotone emesso, i ricercatori possono determinare quale fosse lo spin dell'eccitone scuro.

Come negli esperimenti del 2010, i nuovi misurano gli eccitoni scuri all'interno dei punti quantici. Ma a differenza dello studio precedente, i nuovi esperimenti utilizzano una microlente che si adatta a un singolo punto quantico selezionato in anticipo. L'obiettivo consente ai ricercatori di catturare e misurare più fotoni, cruciale per i dispositivi di informazione quantistica su larga scala. Il loro approccio consente loro anche di scegliere i punti quantici più luminosi da misurare.

"Ciò significa che possiamo rilevare più fotoni dei relativi stati eccitonici per volta, che ci permette di accedere più spesso agli spin eccitoni oscuri, " disse Heindel.

La misurazione degli spin dell'eccitone scuro rivela anche la frequenza della sua precessione, un'oscillazione tra uno stato in cui gli spin sono su o giù. Conoscendo questo numero, Heindel ha spiegato, è necessario quando si utilizzano eccitoni oscuri per generare stati quantistici di luce che sono promettenti per applicazioni di informazione quantistica. Per questi stati, chiamati stati a grappolo di fotoni entangled, le proprietà della meccanica quantistica sono preservate anche se parti dello stato vengono distrutte, necessarie per i sistemi di informazione quantistica resistenti agli errori.