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Pesquisadores criaram um estado de superposição quântica em uma nanoestrutura semicondutora que pode servir de base para a computação quântica. O truque: dois pulsos de laser óptico que agem como um único pulso de laser terahertz.
Uma equipe de pesquisa alemã-chinesa criou com sucesso um bit quântico em uma nanoestrutura semicondutora. Usando uma transição de energia especial, os pesquisadores criaram um estado de superposição em um ponto quântico – uma pequena área do semicondutor – no qual um buraco de elétron possuía simultaneamente dois níveis de energia diferentes. Esses estados de superposição são fundamentais para a computação quântica. No entanto, a excitação do estado exigiria um laser de elétrons livres em larga escala que pode emitir luz na faixa de terahertz. Além disso, esse comprimento de onda é muito longo para focar o feixe no minúsculo ponto quântico. A equipe germano-chinesa conseguiu agora a excitação com dois pulsos de laser óptico de comprimento de onda curtos finamente sintonizados.
A equipe liderada por Feng Liu, da Universidade de Zhejiang, em Hangzhou, juntamente com um grupo liderado pelo Dr. Arne Ludwig, da Universidade Ruhr Bochum e outros pesquisadores da China e do Reino Unido, relatam suas descobertas na revista “Nature Nanotechnology”, publicada on-line em 24 Julho de 2023.
Lasers acionam o processo radiativo Auger
A equipe fez uso da chamada transição Auger radiativa. Nesse processo, um elétron se recombina com uma lacuna, liberando sua energia em parte na forma de um único fóton e em parte transferindo a energia para outro elétron. O mesmo processo também pode ser observado com buracos de elétrons – em outras palavras, elétrons ausentes. Em 2021, uma equipe de pesquisa conseguiu pela primeira vez estimular especificamente a transição Auger radiativa em um semicondutor.
No projeto atual, os pesquisadores mostraram que o processo Auger radiativo pode ser conduzido de forma coerente: eles usaram dois feixes de laser diferentes com intensidades em uma proporção específica entre si. Com o primeiro laser, eles excitaram um par elétron-buraco no ponto quântico para criar uma quasipartícula composta por dois buracos e um elétron. Com um segundo laser, eles acionaram o processo radiativo Auger para elevar um buraco a uma série de estados de energia mais altos.
Dois estados simultaneamente
A equipe usou pulsos de laser bem ajustados para criar uma superposição entre o estado fundamental do buraco e o estado de energia mais alto. O buraco, portanto, existia em ambos os estados simultaneamente. Essas superposições são a base dos bits quânticos, que, ao contrário dos bits convencionais, existem não apenas nos estados “0” e “1”, mas também em superposições de ambos.
Hans-Georg Babin produziu as amostras de semicondutores de alta pureza para o experimento na Ruhr University Bochum, sob a supervisão do Dr. Arne Ludwig na cadeira de Física Aplicada do Estado Sólido chefiada pelo professor Andreas Wieck. No processo, os pesquisadores aumentaram a homogeneidade do conjunto dos pontos quânticos e garantiram a alta pureza das estruturas produzidas. Essas medidas facilitaram a realização dos experimentos pelos parceiros chineses que trabalham com Jun-Yong Yan e Feng Liu.
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