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Pulsos láser casi unipolares podrían controlar qubits

Marca de tiempo: 1 de julio de 2022 5:00 a. M.

Los físicos han creado una onda de luz que es efectivamente unipolar, lo que significa que se comporta como si fuera únicamente un pulso de campo positivo en lugar de la oscilación positiva-negativa habitual que se encuentra en las ondas electromagnéticas. El pulso positivo tiene un pico agudo y una gran amplitud y es lo suficientemente potente como para cambiar o mover estados electrónicos, lo que significa que podría usarse para manipular información cuántica y tal vez acelerar la computación convencional también.

Las ondas electromagnéticas, y en particular los pulsos de luz, se pueden usar para cambiar, caracterizar y controlar estados cuánticos electrónicos con una precisión increíble, explican los líderes del equipo. kira macillo y Rupert Huber de las Universidad de Michigan en los EE. UU. y del Universidad de Ratisbona en Alemania. Sin embargo, la forma de tales pulsos se restringe fundamentalmente a una combinación de oscilaciones positivas y negativas que suman cero. Como resultado, el ciclo positivo puede mover los portadores de carga (electrones o huecos), pero luego el ciclo negativo los lleva de vuelta al punto de partida.

El pico positivo es lo suficientemente fuerte como para cambiar o mover estados electrónicos

Un pulso de interruptor electrónico cuántico ideal sería tan altamente asimétrico como para ser completamente unidireccional; en otras palabras, contendría solo un medio ciclo positivo (o negativo) de oscilación de campo. En estas condiciones, dicho pulso podría cambiar un estado cuántico, como un bit cuántico, en un tiempo mínimo (medio ciclo) y con la máxima eficiencia (sin oscilaciones de ida y vuelta).

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Esto es fundamentalmente imposible para las ondas que se propagan libremente, pero Kira, Huber y sus colegas encontraron una manera de crear la "siguiente mejor opción" en forma de una onda casi unipolar que consta de un pico positivo muy corto y de gran amplitud intercalado entre dos picos negativos largos y de baja amplitud. "El pico positivo es lo suficientemente fuerte como para cambiar o mover los estados electrónicos", explican Kira y Huber, "mientras que los picos negativos son demasiado pequeños para tener mucho efecto".

En su trabajo, los investigadores comenzaron con una pila de nanopelículas recientemente desarrolladas hechas de diferentes materiales semiconductores, como el arseniuro de indio y galio (InGaAs) que se cultivó epitaxialmente en antimoniuro de arseniuro de galio (GaAsSb). Cada una de las nanopelículas tiene solo unos pocos átomos de espesor, y en la interfaz entre ellas, los pulsos de láser ultracortos pueden excitar electrones principalmente en la película de InGaAs. Los agujeros dejados por los electrones excitados permanecen en la película de GaAsSb, creando una separación de carga.

Pulsos de luz efectivos de medio ciclo

"Luego hicimos uso de nuestro avance teórico cuántico al explotar la atracción electrostática entre los electrones con carga opuesta y los agujeros para volver a juntarlos de una manera controlada con precisión", dice Kira. Mundo de la física. "La carga rápida y las oscilaciones de carga más lentas combinadas emitieron la onda unipolar que adaptamos como pulsos de luz de medio ciclo efectivos en la parte del infrarrojo lejano y terahercios del espectro electromagnético".

Huber describe la emisión de terahercios resultante como "sorprendentemente unipolar", con un semiciclo positivo único que alcanza un pico aproximadamente cuatro veces mayor que los dos picos negativos. Si bien los investigadores han estado trabajando durante mucho tiempo en la producción de pulsos de luz con cada vez menos ciclos de oscilación, la posibilidad de generar pulsos de terahercios tan cortos que comprendan efectivamente menos de un solo medio ciclo de oscilación, agrega, "más allá de nuestros audaces sueños". ”.

Kira y Huber dicen que estos campos de terahercios unipolares podrían ser una herramienta poderosa para controlar nuevos materiales cuánticos en escalas de tiempo comparables al movimiento electrónico microscópico. Los investigadores sugieren que los campos también podrían servir como "mecanismos de relojería" superiores y bien definidos para la electrónica ultrarrápida de próxima generación. Finalmente, los nuevos emisores están, afirman, "perfectamente adaptados" para operar en combinación con láseres de estado sólido de alta potencia de grado industrial y, por lo tanto, podrían formar "una plataforma extremadamente escalable para aplicaciones tanto en la ciencia fundamental como en la industria".

Los investigadores, que informan sobre su trabajo en Luz: ciencia y aplicaciones, dicen que han comenzado a utilizar estos pulsos para explorar nuevas plataformas para el procesamiento de información cuántica. “Otras aplicaciones incluyen el acoplamiento de estos pulsos en un microscopio de túnel de barrido, lo que nos permite acelerar la microscopía de resolución atómica a escalas de tiempo de pocos femtosegundos (1 fs = 10-15 s), y así capturar el movimiento de los electrones en el espacio y el tiempo real en videos microscópicos reales en cámara ultralenta”, explican.

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