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Forschung & Entwicklung Dunkle Exzitonen als Quantenspeicher

Dunkle Exzitonen können ihren Zustand über eine Mikrosekunde lang halten und sind daher besonders für die Quanteninformationsverarbeitung geeignet.

Wissenschaftler setzen bei der Forschung zu Quantencomputern auch auf sogenannte dunkle Exzitonen, die aus gebundenen Elektron-Lochpaaren in einem Festkörperkristall bestehen, als Informationsträger. Bei der Verwendung dieser speziellen Quasipartikel gibt es jedoch ein Problem: Sie sind nicht in der Lage, Licht auszusenden und damit schwer aufspürbar. Gerade die Dunkelheit macht diese Exzitonen aber auch interessant für ihre Anwendung als Quantenspeicher: Wurde ein dunkles Exziton erst einmal erzeugt, so kann dieses die Information über eine Mikrosekunde lang speichern – und damit um den Faktor tausend länger als in üblichen hellen Exziton-Zuständen.

Nun ist einem Team des Instituts für Festkörperphysik der TU Berlin in Kooperation mit dem Forschungsinstitut Technion in Haifa, Israel nicht nur gelungen, den Spin-Zustand und damit die Information eines dunklen Exzitons auszulesen, sondern dieses gezielt in einem Nanobauteil zu lokalisieren. Das Nanobauteil, in welchem die Forscher dunkle Exzitonen isolieren konnten, ist ein Halbleiter-Quantenpunkt, der in dem Brennpunkt einer mikroskopisch kleinen Linse sitzt. Um das dunkle Exziton jedoch überhaupt erst erzeugen und anschließend seinen Spin-Zustand auslesen zu können, nutzten die Forscher einen Trick: Man entlockt dem Quantenpunkt die in dem Spin-Zustand gespeicherte Quanteninformation durch ein weiteres gezielt eingebrachtes Elektron, welches das Exziton - vereinfacht ausgedrückt - von dunkel auf hell schaltet. Nun kann das Exziton ein detektierbares Lichtquant aussenden. Die Polarisation dieses Lichtteilchens birgt die Information über den Spin-Zustand des ursprünglichen dunklen Exzitons.

Der große Vorteil gegenüber bisherigen Experimenten liegt in dem an der TU Berlin entwickelten Nanobauteil. Eine spezielle mikroskopische Linse wird in einem einzigartigen Verfahren gezielt über den zuvor ausgewählten Quantenpunkt gesetzt. „Die Linse sammelt die ausgestrahlten Lichtquanten und bündelt sie in Richtung des Detektors. So kann der Spin-Zustand des dunklen Exzitons deutlich häufiger ausgelesen werden als ohne diese Linse, was später entscheidend für die Übertragungsrate der Quanteninformation sein wird. Durch diese Demonstration konnten wir zeigen, dass dunkle Exzitonen als langlebige Qubits eingesetzt werden können, wodurch künftig Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung möglich werden“, erklärt Dr. Tobias Heindel von der TU Berlin.

Originalveröffentlichung:
[T. Heindel et al., Accessing the dark exciton spin in deterministic quantum dot microlenses, APL Photonics 2 (2017), DOI: 10.1063/1.5004147]

von mn

www.tu-berlin.de

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