Nær-unipolare laserpulser kan kontrollere qubits

Fysikere har skapt en lysbølge som er effektivt unipolar, noe som betyr at den oppfører seg som om den utelukkende er en positiv feltpuls i stedet for den vanlige positiv-negative oscillasjonen som finnes i elektromagnetiske bølger. Den positive pulsen har en skarp topp og høy amplitude og er kraftig nok til å bytte eller flytte elektroniske tilstander, noe som betyr at den kan brukes til å manipulere kvanteinformasjon og kanskje også akselerere konvensjonell databehandling.

Elektromagnetiske bølger, og spesielt lyspulser, kan brukes til å bytte, karakterisere og kontrollere elektroniske kvantetilstander med utrolig nøyaktighet, forklarer teamledere Mackillo Kira og Rupert Huber av University of Michigan i USA og Universitetet i Regensburg i Tyskland. Imidlertid er formen på slike pulser fundamentalt begrenset til en kombinasjon av positive og negative svingninger som summerer til null. Som et resultat kan den positive syklusen flytte ladningsbærere (elektroner eller hull), men så trekker den negative syklusen dem tilbake til utgangspunktet.

Positiv topp er sterk nok til å bytte eller flytte elektroniske tilstander

En ideell kvanteelektronisk svitsjpuls ville være så svært asymmetrisk at den er fullstendig ensrettet - med andre ord, den ville bare inneholde en positiv (eller negativ) halvsyklus av feltoscillasjon. Under disse forholdene kan en slik puls snu en kvantetilstand, for eksempel en kvantebit, på minimum tid (en halv syklus) og med maksimal effektivitet (ingen frem og tilbake oscillasjoner).

Dette er fundamentalt umulig for fritt forplantende bølger, men Kira, Huber og kollegene fant en måte å skape den "nest beste tingen" i form av en kvasi-unipolar bølge bestående av en veldig kort positiv topp med høy amplitude klemt mellom to lange negative topper med lav amplitude. "Den positive toppen er sterk nok til å bytte eller flytte elektroniske tilstander," forklarer Kira og Huber, "mens de negative toppene er for små til å ha mye effekt."

I sitt arbeid startet forskerne med en nyutviklet stabel av nanofilmer laget av forskjellige halvledermaterialer, for eksempel indium galliumarsenid (InGaAs) som ble dyrket epitaksialt på galliumarsenidantimonid (GaAsSb). Hver av nanofilmene er bare noen få atomer tykke, og i grensesnittet mellom dem kan ultrakorte laserpulser eksitere elektroner hovedsakelig i InGaAs-filmen. Hullene etterlatt av de eksiterte elektronene forblir i GaAsSb-filmen, og skaper en ladningsseparasjon.

Effektive halvsyklus lyspulser

"Vi brukte da vårt kvanteteoretiske gjennombrudd for å utnytte den elektrostatiske tiltrekningen mellom de motsatt ladede elektronene og hullene for å trekke dem sammen igjen på en nøyaktig kontrollert måte," forteller Kira Fysikkens verden. "Den raske ladingen og de langsommere ladningssvingningene kombinert sendte ut den unipolare bølgen som vi skreddersydde som effektive halvsyklus lyspulser i den langt infrarøde og terahertz delen av det elektromagnetiske spekteret."

Huber beskriver den resulterende terahertz-utslippet som "forbløffende unipolar", med den enkle positive halvsyklusen som topper omtrent fire ganger høyere enn de to negative toppene. Mens forskere har jobbet lenge med å produsere lyspulser med færre og færre oscillasjonssykluser, var muligheten for å generere terahertz-pulser så korte at de effektivt omfatter mindre enn en enkelt halv-oscillasjonssyklus, "utover våre dristige drømmer", legger han til. ".

Kira og Huber sier at disse unipolare terahertz-feltene kan være et kraftig verktøy for å kontrollere nye kvantematerialer på tidsskalaer som kan sammenlignes med mikroskopisk elektronisk bevegelse. Forskerne foreslår at feltene også kan tjene som overlegne, veldefinerte "urverk" for neste generasjons ultrarask elektronikk. Til slutt, de nye emitterne er, hevder de, "perfekt tilpasset" til å operere i kombinasjon med industri-grade høyeffekts solid-state lasere og kan dermed danne "en ekstremt skalerbar plattform for applikasjoner i både grunnleggende vitenskap og industri".

Forskerne, som rapporterer om sitt arbeid i Lys: Vitenskap og applikasjoner, sier de har begynt å bruke disse pulsene til å utforske nye plattformer for kvanteinformasjonsbehandling. "Andre applikasjoner inkluderer å koble disse pulsene til et skanningstunnelmikroskop, som lar oss øke hastigheten på atomoppløsningsmikroskopi til noen femtosekunders tidsskalaer (1 fs = 10^-15 s), og dermed fange opp den sanne rom- og tidsbevegelsen til elektroner i faktiske ultrasakte mikroskopiske videoer, forklarer de.

Innlegget Nær-unipolare laserpulser kan kontrollere qubits dukket først på Fysikkens verden.

• Myntsmart. Europas beste Bitcoin og Crypto Exchange.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. FRI TILGANG.
• CryptoHawk. Altcoin Radar. Gratis prøveperiode.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/near-unipolar-laser-pulses-could-control-qubits/