Die Emulation unmöglicher „unipolarer“ Laserpulse ebnet den Weg für die Verarbeitung von Quanteninformationen

Ein Laserpuls, der die inhärente Symmetrie von Lichtwellen umgeht, könnte Quanteninformationen manipulieren und uns möglicherweise dem Quantencomputing bei Raumtemperatur näher bringen.

Die von Forschern der Universität Regensburg und der University of Michigan geleitete Studie könnte auch das konventionelle Computing beschleunigen.

Quantencomputer haben das Potenzial, Lösungen für Probleme zu beschleunigen, bei denen viele Variablen gleichzeitig untersucht werden müssen, darunter Arzneimittelforschung, Wettervorhersage und Verschlüsselung für die Cybersicherheit. Herkömmliche Computerbits kodieren entweder eine 1 oder 0, aber Quantenbits oder Qubits können beide gleichzeitig kodieren. Dies ermöglicht es Quantencomputern im Wesentlichen, mehrere Szenarien gleichzeitig zu bearbeiten, anstatt sie nacheinander zu untersuchen. Diese Mischzustände halten jedoch nicht lange an, sodass die Informationsverarbeitung schneller sein muss, als elektronische Schaltungen aufbringen können.

Während Laserpulse verwendet werden können, um die Energiezustände von Qubits zu manipulieren, sind verschiedene Berechnungsmethoden möglich, wenn Ladungsträger, die zur Codierung von Quanteninformationen verwendet werden, bewegt werden könnten – einschließlich eines Ansatzes bei Raumtemperatur. Terahertz-Licht, das zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung angesiedelt ist, oszilliert schnell genug, um die Geschwindigkeit bereitzustellen, aber die Form der Welle ist auch ein Problem. Elektromagnetische Wellen müssen nämlich sowohl positive als auch negative Schwingungen erzeugen, die sich zu Null summieren.

Der positive Zyklus kann Ladungsträger wie Elektronen bewegen. Aber dann zieht der negative Kreislauf die Ladungen dorthin zurück, wo sie begonnen haben. Um die Quanteninformation zuverlässig zu kontrollieren, wird eine asymmetrische Lichtwelle benötigt.

„Das Optimum wäre eine vollständig gerichtete, unipolare ‚Welle‘, also gäbe es nur die zentrale Spitze, keine Oszillationen. Das wäre der Traum. Aber die Realität ist, dass Lichtfelder, die sich ausbreiten, oszillieren müssen, also versuchen wir es zu machen.“ die Schwingungen so klein wie möglich zu halten“, sagte Mackillo Kira, UM-Professor für Elektrotechnik und Informatik und Leiter der theoretischen Aspekte der Studie in Licht: Wissenschaft & Anwendungen.

Da Wellen, die nur positiv oder nur negativ sind, physikalisch unmöglich sind, hat sich das internationale Team einen Weg ausgedacht, um das Nächstbeste zu erreichen. Sie erzeugten eine effektiv unipolare Welle mit einer sehr scharfen positiven Spitze mit hoher Amplitude, die von zwei langen negativen Spitzen mit niedriger Amplitude flankiert wurde. Dadurch wird die positive Spitze stark genug, um Ladungsträger zu bewegen, während die negativen Spitzen zu klein sind, um eine große Wirkung zu haben.

Sie taten dies, indem sie Nanoblätter eines Galliumarsenid-Halbleiters sorgfältig konstruierten, um die Terahertz-Emission durch die Bewegung von Elektronen und Löchern zu gestalten, die im Wesentlichen die Räume sind, die zurückbleiben, wenn sich Elektronen in Halbleitern bewegen. Die Nanoblätter, die jeweils etwa so dick wie ein Tausendstel eines Haares sind, wurden im Labor von Dominique Bougeard, Physikprofessor an der Universität Regensburg in Deutschland, hergestellt.

Dann stapelte die Gruppe von Rupert Huber, ebenfalls Professor für Physik an der Universität Regensburg, die Halbleiter-Nanoblätter vor einem Laser. Als der Nahinfrarotimpuls auf das Nanoblatt traf, erzeugte es Elektronen. Aufgrund des Designs der Nanoblätter begrüßten die Elektronen die Trennung von den Löchern, sodass sie nach vorne schossen. Dann zog die Anziehungskraft der Löcher die Elektronen zurück. Als die Elektronen wieder mit den Löchern zusammentrafen, setzten sie die Energie frei, die sie vom Laserimpuls aufgenommen hatten, als eine starke positive Terahertz-Halbwelle voranging und von einer schwachen, langen negativen Halbwelle gefolgt wurde.

„Die resultierende Terahertz-Emission ist erstaunlich unipolar, wobei die einzelne positive Halbwelle ihren Höhepunkt etwa viermal höher erreicht als die beiden negativen“, sagte Huber. „Wir arbeiten seit vielen Jahren an Lichtpulsen mit immer weniger Schwingungszyklen. Die Möglichkeit, Terahertz-Pulse so kurz zu erzeugen, dass sie effektiv weniger als eine einzige Halbschwingungsperiode umfassen, war jenseits unserer kühnsten Träume.“

Als nächstes beabsichtigt das Team, diese Impulse zu verwenden, um Elektronen in Quantenmaterialien bei Raumtemperatur zu manipulieren und Mechanismen für die Quanteninformationsverarbeitung zu erforschen. Die Pulse könnten auch für die ultraschnelle Verarbeitung herkömmlicher Informationen verwendet werden.

„Jetzt, da wir den Schlüsselfaktor unipolarer Pulse kennen, können wir möglicherweise Terahertz-Pulse so formen, dass sie noch asymmetrischer und maßgeschneiderter für die Steuerung von Halbleiter-Qubits sind“, sagte Qiannan Wen, Ph.D. Student der Angewandten Physik an der UM und Co-Erstautor der Studie, zusammen mit Christian Meineke und Michael Prager, Ph.D. Studierende der Physik an der Universität Regensburg.