Gli impulsi laser quasi unipolari potrebbero controllare i qubit

I fisici hanno creato un’onda luminosa che è effettivamente unipolare, nel senso che si comporta come se fosse esclusivamente un impulso di campo positivo invece della solita oscillazione positivo-negativa riscontrata nelle onde elettromagnetiche. L’impulso positivo ha un picco netto e un’ampiezza elevata ed è abbastanza potente da cambiare o spostare gli stati elettronici, il che significa che potrebbe essere utilizzato per manipolare le informazioni quantistiche e forse anche per accelerare il calcolo convenzionale.

Le onde elettromagnetiche, e in particolare gli impulsi luminosi, possono essere utilizzati per commutare, caratterizzare e controllare gli stati quantistici elettronici con incredibile precisione, spiegano i leader del team Macillo Kira ed Rupert Huber della Università del Michigan negli Stati Uniti e la Università di Ratisbona in Germania. Tuttavia, la forma di tali impulsi è fondamentalmente limitata a una combinazione di oscillazioni positive e negative la cui somma dà zero. Di conseguenza, il ciclo positivo può spostare i portatori di carica (elettroni o lacune), ma poi il ciclo negativo li riporta al punto di partenza.

Il picco positivo è abbastanza forte da cambiare o spostare gli stati elettronici

Un impulso di commutazione elettronico quantistico ideale sarebbe così altamente asimmetrico da essere completamente unidirezionale – in altre parole, conterrebbe solo un semiciclo positivo (o negativo) di oscillazione del campo. In queste condizioni, un tale impulso potrebbe invertire uno stato quantistico, come un bit quantistico, nel tempo minimo (mezzo ciclo) e con la massima efficienza (senza oscillazioni avanti e indietro).

Ciò è fondamentalmente impossibile per le onde che si propagano liberamente, ma Kira, Huber e colleghi hanno trovato un modo per creare la “cosa migliore” sotto forma di un’onda quasi unipolare costituita da un picco positivo molto breve e di elevata ampiezza inserito tra due picchi negativi lunghi e di bassa ampiezza. “Il picco positivo è abbastanza forte da cambiare o spostare gli stati elettronici”, spiegano Kira e Huber, “mentre i picchi negativi sono troppo piccoli per avere un grande effetto”.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno iniziato con una pila di nanofilm di nuova concezione costituiti da diversi materiali semiconduttori, come l'arseniuro di indio e gallio (InGaAs) che è stato coltivato epitassialmente su antimoniuro di arseniuro di gallio (GaAsSb). Ciascuno dei nanofilm ha uno spessore di solo pochi atomi e, all’interfaccia tra loro, gli impulsi laser ultracorti possono eccitare gli elettroni principalmente nel film di InGaAs. Le lacune lasciate dagli elettroni eccitati rimangono nella pellicola di GaAsSb, creando una separazione di carica.

Impulsi luminosi efficaci a metà ciclo

"Abbiamo quindi utilizzato la nostra innovazione della teoria quantistica nello sfruttamento dell'attrazione elettrostatica tra gli elettroni e le lacune con carica opposta per riunirli in un modo controllato con precisione", dice Kira Mondo della fisica. “La ricarica rapida e le oscillazioni di carica più lente combinate emettono l’onda unipolare che abbiamo adattato come efficaci impulsi di luce a semiciclo nella parte del lontano infrarosso e dei terahertz dello spettro elettromagnetico”.

Huber descrive l’emissione terahertz risultante come “straordinariamente unipolare”, con il singolo semiciclo positivo che raggiunge un picco circa quattro volte superiore ai due picchi negativi. Sebbene i ricercatori abbiano lavorato a lungo sulla produzione di impulsi luminosi con sempre meno cicli di oscillazione, la possibilità di generare impulsi terahertz così brevi da comprendere effettivamente meno di un singolo mezzo ciclo di oscillazione era, aggiunge, “oltre i nostri sogni più audaci”. ”.

Kira e Huber affermano che questi campi unipolari terahertz potrebbero essere un potente strumento per controllare nuovi materiali quantistici su scale temporali paragonabili al movimento elettronico microscopico. I ricercatori suggeriscono che i campi potrebbero anche fungere da “meccanismi” superiori e ben definiti per l’elettronica ultraveloce di prossima generazione. Infine, i nuovi emettitori sono, sostengono, “perfettamente adattati” per funzionare in combinazione con laser a stato solido ad alta potenza di livello industriale e potrebbero quindi formare “una piattaforma estremamente scalabile per applicazioni sia nella scienza fondamentale che nell’industria”.

I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Luce: scienza e applicazioni, affermano di aver iniziato a utilizzare questi impulsi per esplorare nuove piattaforme per l'elaborazione delle informazioni quantistiche. “Altre applicazioni includono l’accoppiamento di questi impulsi in un microscopio a effetto tunnel, che ci consente di accelerare la microscopia a risoluzione atomica su scale temporali di pochi femtosecondi (1 fs = 10 ^{all'15 ottobre} s), e quindi catturare il movimento degli elettroni nello spazio e nel tempo reale in reali video microscopici a movimento ultralento”, spiegano.

Il post Gli impulsi laser quasi unipolari potrebbero controllare i qubit apparve prima Mondo della fisica.

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