Des impulsions laser quasi unipolaires pourraient contrôler les qubits

Les physiciens ont créé une onde lumineuse qui est effectivement unipolaire, ce qui signifie qu’elle se comporte comme s’il s’agissait uniquement d’une impulsion de champ positif plutôt que de l’oscillation positive-négative habituelle trouvée dans les ondes électromagnétiques. L'impulsion positive a un pic net et une amplitude élevée et est suffisamment puissante pour changer ou déplacer des états électroniques, ce qui signifie qu'elle pourrait être utilisée pour manipuler des informations quantiques et peut-être également accélérer l'informatique conventionnelle.

Les ondes électromagnétiques, et en particulier les impulsions lumineuses, peuvent être utilisées pour commuter, caractériser et contrôler les états quantiques électroniques avec une précision incroyable, expliquent les chefs d'équipe. Mackillo Kira ainsi que Rupert Huber des Université du Michigan aux États-Unis et par Université de Ratisbonne en Allemagne. Cependant, la forme de ces impulsions est fondamentalement limitée à une combinaison d’oscillations positives et négatives dont la somme est nulle. En conséquence, le cycle positif peut déplacer les porteurs de charge (électrons ou trous), mais le cycle négatif les ramène ensuite à la case départ.

Le pic positif est suffisamment fort pour changer ou déplacer les états électroniques

Une impulsion de commutation électronique quantique idéale serait si fortement asymétrique qu’elle serait complètement unidirectionnelle – en d’autres termes, elle ne contiendrait qu’un demi-cycle positif (ou négatif) d’oscillation de champ. Dans ces conditions, une telle impulsion pourrait inverser un état quantique, tel qu’un bit quantique, en un temps minimum (un demi-cycle) et avec une efficacité maximale (pas d’oscillations de va-et-vient).

Ceci est fondamentalement impossible pour les ondes à propagation libre, mais Kira, Huber et leurs collègues ont trouvé un moyen de créer la « meilleure solution » sous la forme d'une onde quasi unipolaire constituée d'un pic positif très court et de haute amplitude pris en sandwich entre deux pics négatifs longs et de faible amplitude. "Le pic positif est suffisamment fort pour changer ou déplacer des états électroniques", expliquent Kira et Huber, "tandis que les pics négatifs sont trop petits pour avoir un grand effet."

Dans leurs travaux, les chercheurs ont commencé avec un nouvel empilement de nanofilms constitués de différents matériaux semi-conducteurs, tels que l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs), cultivé par épitaxie sur de l'antimonide d'arséniure de gallium (GaAsSb). Chacun des nanofilms n’a que quelques atomes d’épaisseur et, à l’interface entre eux, des impulsions laser ultracourtes peuvent exciter des électrons principalement dans le film d’InGaAs. Les trous laissés par les électrons excités restent dans le film de GaAsSb, créant une séparation de charges.

Impulsions lumineuses efficaces en demi-cycle

"Nous avons ensuite utilisé notre percée en théorie quantique en exploitant l'attraction électrostatique entre les électrons et les trous de charges opposées pour les rassembler d'une manière précisément contrôlée", explique Kira. Monde de la physique. "La charge rapide et les oscillations de charge plus lentes combinées ont émis l'onde unipolaire que nous avons adaptée en tant qu'impulsions lumineuses efficaces en demi-cycle dans la partie infrarouge lointain et térahertz du spectre électromagnétique."

Huber décrit l'émission térahertz qui en résulte comme « étonnamment unipolaire », avec un seul demi-cycle positif culminant environ quatre fois plus haut que les deux pics négatifs. Alors que les chercheurs travaillent depuis longtemps à produire des impulsions lumineuses avec de moins en moins de cycles d’oscillation, la possibilité de générer des impulsions térahertz si courtes qu’elles comprennent effectivement moins d’un seul demi-cycle d’oscillation était, ajoute-t-il, « au-delà de nos rêves audacieux ». ».

Kira et Huber affirment que ces champs térahertz unipolaires pourraient constituer un outil puissant pour contrôler de nouveaux matériaux quantiques à des échelles de temps comparables au mouvement électronique microscopique. Les chercheurs suggèrent que ces champs pourraient également servir de « mécanismes d’horlogerie » supérieurs et bien définis pour l’électronique ultrarapide de nouvelle génération. Enfin, les nouveaux émetteurs sont, affirment-ils, « parfaitement adaptés » pour fonctionner en combinaison avec des lasers à semi-conducteurs de haute puissance et de qualité industrielle et pourraient ainsi former « une plate-forme extrêmement évolutive pour des applications à la fois dans la science fondamentale et dans l’industrie ».

Les chercheurs, qui rapportent leurs travaux Lumière: science et applications, affirment qu'ils ont commencé à utiliser ces impulsions pour explorer de nouvelles plates-formes de traitement de l'information quantique. "D'autres applications incluent le couplage de ces impulsions dans un microscope à effet tunnel, ce qui nous permet d'accélérer la microscopie à résolution atomique à des échelles de temps de quelques femtosecondes (1 fs = 10^{- 15} s), et ainsi capturer le mouvement des électrons dans l’espace et dans le temps réels dans de véritables vidéos microscopiques à mouvement ultra lent », expliquent-ils.

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• Source : https://physicsworld.com/a/near-unipolar-laser-pulses-could-control-qubits/