该示意图为用于测量量子点中暗激子的微透镜装置。左图描绘了自旋封闭的双光子态，其驰豫成暗激子并产生光子；实心圆是电子，空心圆是空穴。暗激子随后进行旋进。为了读取暗激子状态，引入额外的电荷载体——在这种情况下，引入的是一个自旋电子。援引：Tobias Heindel

为了构建未来的量子计算机，一些研究人员正转向研究暗激子，它们是电子的束缚对，缺少一个称为空穴的电子。作为一个有前途的量子比特或量子位，它可以将信息存储在自旋状态中，类似于常规的经典比特如何将信息存储在其关闭或打开状态。但有一个问题是，暗激子不发光，很难确定它们的自旋态，并将其用于量子信息处理。

然而在新的实验中，研究人员不仅可以读取暗激子的自旋态，而且还可以比以前更有效地做到这一点。他们本周在APL Photonics上的演示可以帮助研究人员扩展暗激子系统，为量子计算构建更大的器件。

柏林工业大学的Tobias Heindel说：“需要较大的光子提取和收集效率才能推动实验超越原理验证阶段。”

当半导体中的电子被激发到更高的能级时，它会留下一个空穴。但是电子仍然可以束缚到带正电荷的空穴，共同形成一个激子。研究人员可以将这些激子捕获到量子点中，纳米级的半导体粒子的量子性质类似于单个原子。

如果电子和空穴具有相反的自旋，则这两个粒子可以很容易地重新组合并发射光子。这些电子-空穴对被称为亮激子。但是，如果它们具有相同的旋转, 电子和空穴就不能轻易地重组。这种激子不能发光，因此被称为暗激子。

之所以暗激子作为有希望的量子比特，部分原因就是暗。由于暗激子不能发光，所以不能驰豫到较低的能级。因此，暗激子的寿命相对较长，持续时间超过一微秒——比亮激子长一千倍，时间足够长作为量子比特。然而, 暗同时带来了挑战。因为暗激子是封闭的，所以你不能用光子来读取自旋态——或者暗激子量子比特可能包含的任何信息。

但是在2010年，以色列理工学院的一个物理学家团队想出了如何渗透黑暗的方法。事实证明，两个激子一起可以形成亚稳状态。当这种所谓的自旋封锁双光子态驰豫到较低能级时，它在发射光子的同时留下暗激子。通过检测这个光子，研究人员就能知道一个暗激子被创造出来了。

为了读取暗激子的自旋状态，研究人员引入了一个额外的电子或空穴。例如，如果新的电荷载流子是一个自旋上升电子，它与暗激子的自旋下降空穴结合，形成亮激子并快速衰变产生光子，暗激子被破坏。但是通过测量发射光子的偏振态，研究人员可以确定暗激子的自旋状态是什么。

就像在2010年的实验中一样，新的实验测量量子点内部的暗激子。但与早期的研究不同的是, 新实验使用了一种微透镜, 它适合于预先选择的单个量子点。该透镜使研究人员能够捕捉和测量更多的光子, 这对更大规模的量子信息器件至关重要。他们的方法也让他们能够选择最亮的量子点来进行测量。

“这意味着我们可以每次检测到更多光子的相关激子态，使我们能够更频繁地获得暗激子自旋状态，”Heindel说。

测量暗激子旋转也揭示了其旋进的频率，即在旋转状态上升或下降之间的振荡。Heindel 解释说，当使用暗激子来生成量子信息的应用前景光明时, 就需要知道这个数值。对于这些被称为纠缠光子的聚类态的状态, 即使部分状态被破坏, 量子力学特性也会被保留——这对于抗误码的量子信息系统而言是必需的。

来源： https://phys.org/news/2017-12-dark-side-excitons-quantum.html

本文受译者委托，享有该文的专有出版权，其他出版单位或网站如需转载，请与本站联系，联系email：mail@opticsjournal.net。否则，本站将保留进一步采取法律手段的权利。