半導体ナノ構造における新しいタイプの量子ビット

2023 年 7 月 25 日

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Julia Weiler著、ルール大学ボーフム校

研究者らは、量子コンピューティングの基礎となる可能性のある量子重ね合わせ状態を半導体ナノ構造内に作成した。 トリック: 2 つの光レーザー パルスが 1 つのテラヘルツ レーザー パルスとして機能します。

ドイツと中国の研究チームが、半導体ナノ構造内に量子ビットを作成することに成功した。 研究者らは、特殊なエネルギー遷移を利用して、量子ドット（半導体の小さな領域）内に、電子正孔が2つの異なるエネルギーレベルを同時に持つ重ね合わせ状態を作り出した。 このような重ね合わせ状態は、量子コンピューティングの基礎です。

ただし、この状態を励起するには、テラヘルツ領域の光を放射できる大規模な自由電子レーザーが必要になります。 さらに、この波長は長すぎるため、小さな量子ドットにビームを集中させることができません。 ドイツと中国のチームは現在、2 つの微調整された短波長光レーザー パルスを使用して励起を達成しました。

杭州の浙江大学のFeng Liu氏が率いるチームは、ルール大学ボーフムのArne Ludwig博士ら中国と英国の他の研究者が率いるグループとともに、2023年7月24日にオンライン発行される学術誌Nature Nanotechnologyに研究結果を報告している。 。

チームは、いわゆる放射オージェ転移を利用しました。 このプロセスでは、電子が正孔と再結合し、そのエネルギーの一部は単一の光子の形で放出され、一部はエネルギーを別の電子に転送することによって放出されます。 同じプロセスは、正孔、つまり電子の欠落でも観察できます。 2021年、研究チームは半導体の放射オージェ転移を特異的に刺激することに初めて成功した。

現在のプロジェクトでは、研究者らは放射オージェ過程を一貫して駆動できることを示した。 彼らは、互いに特定の比率の強度を持つ 2 つの異なるレーザー ビームを使用しました。 最初のレーザーでは、量子ドット内の電子と正孔のペアを励起して、2 つの正孔と 1 つの電子からなる準粒子を作成しました。 2番目のレーザーで放射オージェプロセスを引き起こし、1つの穴を一連のより高いエネルギー状態に上昇させました。

研究チームは、微調整されたレーザーパルスを使用して、ホールの基底状態とより高いエネルギー状態の間の重ね合わせを作成しました。 したがって、ホールは両方の状態に同時に存在しました。 このような重ね合わせは、従来のビットとは異なり、「0」と「1」の状態だけでなく、両方の重ね合わせでも存在する量子ビットの基礎です。

ハンス・ゲオルク・バビン氏は、アンドレアス・ヴィーク教授が率いる応用固体物理学教授のアルネ・ルートヴィヒ博士の監督の下、ルール大学ボーフムで実験用の高純度半導体サンプルを作成しました。 その過程で、研究者らは量子ドットのアンサンブルの均一性を高め、生成される構造の高純度を確保した。 これらの措置により、Jun-Yong Yan および Feng Liu と協力する中国のパートナーによる実験の実施が容易になりました。

詳しくは： Jun-Yong Yan 他、半導体量子ドットにおける高軌道ホールのコヒーレント制御、Nature Nanotechnology (2023)。 DOI: 10.1038/s41565-023-01442-y

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