Les scientifiques ont créé un état de superposition quantique dans une nanostructure semi-conductrice, une avancée significative pour l’informatique quantique. En utilisant deux impulsions laser optiques soigneusement calibrées, ils ont facilité une transition énergétique unique, formant un bit quantique dans une nanostructure semi-conductrice. (Idée d’artiste.)
Une équipe de recherche germano-chinoise a réussi à créer un état de superposition quantique dans une nanostructure semi-conductrice, marquant une avancée significative pour l’informatique quantique. Grâce à l’utilisation de deux impulsions laser optiques à courte longueur d’onde spécifiquement calibrées, l’équipe a pu générer un bit quantique, ou qubit, dans une nanostructure semi-conductrice.
Une équipe de recherche germano-chinoise a réussi à créer un bit quantique dans une nanostructure semi-conductrice. En utilisant une transition d’énergie spéciale, les chercheurs ont créé un état de superposition dans un point quantique – une minuscule zone du semi-conducteur – dans lequel un trou d’électron possédait simultanément deux niveaux d’énergie différents. De tels états de superposition sont fondamentaux pour l’informatique quantique.
Auparavant, l’induction d’un tel état nécessitait un laser à électrons libres à grande échelle capable d’émettre de la lumière dans la gamme des térahertz. Malheureusement, cette longueur d’onde était trop longue pour focaliser avec précision le faisceau sur la boîte quantique. Cette équipe, cependant, a réalisé l’excitation avec deux impulsions laser optiques à courte longueur d’onde soigneusement calibrées.
L’équipe dirigée par Feng Liu de l’Université du Zhejiang à Hangzhou, ainsi qu’un groupe dirigé par le Dr Arne Ludwig de l’Université de la Ruhr à Bochum et d’autres chercheurs de Chine et du Royaume-Uni, rapportent leurs découvertes dans la revue Nanotechnologie de la naturemis en ligne le 24 juillet 2023.
Les chercheurs ont réussi à créer un état de superposition quantique dans une nanostructure semi-conductrice qui pourrait servir de base à l’informatique quantique. L’astuce : deux impulsions laser optiques qui agissent comme une seule impulsion laser térahertz. (L’équipe de recherche de Bochum : Hans-Georg Babin (à gauche) et Arne Ludwig.) Crédit : RUB, Marquard
Exploiter le processus Radiative Auger
Pour atteindre cet état de superposition, les chercheurs ont utilisé la transition Auger radiative. Dans ce processus, un électron se recombine avec un trou, libérant partiellement son énergie sous forme de photon et le transférer partiellement à un autre électron. Le même processus peut être observé avec des trous d’électrons – en d’autres termes, des électrons manquants. En 2021, une équipe de chercheurs réussit pour la première fois à stimuler spécifiquement la transition Auger radiative dans un semi-conducteur.
Dans le projet actuel, les chercheurs ont montré que le processus Auger radiatif peut être piloté de manière cohérente : ils ont utilisé deux faisceaux laser différents avec des intensités dans un rapport spécifique l’un par rapport à l’autre. Avec le premier laser, ils ont excité une paire électron-trou dans la boîte quantique pour créer une quasi-particule composée de deux trous et d’un électron. Avec un deuxième laser, ils ont déclenché le processus Auger radiatif pour élever un trou à une série d’états d’énergie plus élevés.
Création de superposition quantique
Les chercheurs ont utilisé des impulsions laser finement réglées pour créer une superposition entre l’état fondamental du trou et l’état d’énergie plus élevée. Le trou existait donc dans les deux états simultanément. De telles superpositions sont à la base des bits quantiques qui, contrairement aux bits conventionnels, existent non seulement dans les états « 0 » et « 1 », mais également dans les superpositions des deux.
Hans-Georg Babin a produit les échantillons de semi-conducteurs de haute pureté pour l’expérience à l’Université de la Ruhr à Bochum sous la supervision du Dr Arne Ludwig de la Chaire de physique appliquée du solide dirigée par le professeur Andreas Wieck. Dans le processus, les chercheurs ont augmenté l’homogénéité d’ensemble des points quantiques et assuré la grande pureté des structures produites. Ces mesures ont facilité la réalisation des expériences par les partenaires chinois travaillant avec Jun-Yong Yan et Feng Liu.
La recherche a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (codes de financement 62075194, 61975177, U21A6006, U20A20164, 62122067), les fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales (2021QNA5006), le ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche (16KISQ009) et le Fondation allemande pour la recherche (DFH/UFA CDFA-05-06).
