Les matériaux quantiques émettent de la lumière comme s’il s’agissait uniquement d’une impulsion positive, plutôt que d’une oscillation positive-négative


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  • Une impulsion laser qui contourne la symétrie inhérente des ondes lumineuses pourrait manipuler les informations quantiques, nous rapprochant potentiellement de l’informatique quantique à température ambiante.

    L’étude, menée par des chercheurs de l’Université de Ratisbonne et de l’Université du Michigan, pourrait également accélérer le calcul conventionnel.

    L’informatique quantique a le potentiel d’accélérer les solutions aux problèmes qui doivent explorer de nombreuses variables en même temps, y compris la découverte de médicaments, la prévision météorologique et le cryptage pour la cybersécurité. Les bits informatiques conventionnels encodent soit un 1 soit un 0, mais les bits quantiques, ou qubits, peuvent encoder les deux en même temps. Cela permet essentiellement aux ordinateurs quantiques de travailler simultanément sur plusieurs scénarios, plutôt que de les explorer les uns après les autres. Cependant, ces états mixtes ne durent pas longtemps, de sorte que le traitement de l’information doit être plus rapide que ce que les circuits électroniques peuvent rassembler.

    Alors que les impulsions laser peuvent être utilisées pour manipuler les états d’énergie des qubits, différentes méthodes de calcul sont possibles si les porteurs de charge utilisés pour coder les informations quantiques peuvent être déplacés, y compris une approche à température ambiante. La lumière térahertz, qui se situe entre le rayonnement infrarouge et le rayonnement micro-ondes, oscille assez rapidement pour fournir la vitesse, mais la forme de l’onde est également un problème. A savoir, les ondes électromagnétiques sont obligées de produire des oscillations à la fois positives et négatives, dont la somme est nulle.

    Le cycle positif peut déplacer des porteurs de charge, tels que des électrons. Mais ensuite, le cycle négatif ramène les charges à leur point de départ. Pour contrôler de manière fiable l’information quantique, une onde lumineuse asymétrique est nécessaire.

    « L’optimum serait une » onde « unipolaire complètement directionnelle, donc il n’y aurait que le pic central, pas d’oscillations. Ce serait le rêve. Mais la réalité est que les champs lumineux qui se propagent doivent osciller, alors nous essayons de faire les oscillations aussi petites que possible », a déclaré Mackillo Kira, professeur de génie électrique et d’informatique à l’UM et responsable des aspects théoriques de l’étude dans Light: Science & Applications.

    Étant donné que les vagues qui ne sont que positives ou que négatives sont physiquement impossibles, l’équipe internationale a trouvé un moyen de faire la meilleure chose suivante. Ils ont créé une onde effectivement unipolaire avec un pic positif très net et de grande amplitude flanqué de deux longs pics négatifs de faible amplitude. Cela rend le pic positif suffisamment puissant pour déplacer les porteurs de charge tandis que les pics négatifs sont trop petits pour avoir beaucoup d’effet.

    Ils l’ont fait en concevant soigneusement des nanofeuilles d’un semi-conducteur d’arséniure de gallium pour concevoir l’émission de térahertz à travers le mouvement des électrons et des trous, qui sont essentiellement les espaces laissés lorsque les électrons se déplacent dans les semi-conducteurs. Les nanofeuilles, chacune aussi épaisses qu’un millième de cheveu, ont été fabriquées dans le laboratoire de Dominique Bougeard, professeur de physique à l’Université de Ratisbonne en Allemagne.

    Ensuite, le groupe de Rupert Huber, également professeur de physique à l’Université de Ratisbonne, a empilé les nanofeuilles semi-conductrices devant un laser. Lorsque l’impulsion proche infrarouge a frappé la nanofeuille, elle a généré des électrons. En raison de la conception des nanofeuilles, les électrons ont bien accueilli la séparation des trous, ils ont donc tiré vers l’avant. Ensuite, l’attraction des trous a fait reculer les électrons. Au fur et à mesure que les électrons rejoignaient les trous, ils libéraient l’énergie qu’ils avaient captée de l’impulsion laser sous la forme d’un demi-cycle térahertz positif fort précédé et suivi d’un demi-cycle négatif faible et long.

    « L’émission térahertz qui en résulte est étonnamment unipolaire, le seul demi-cycle positif culminant environ quatre fois plus haut que les deux négatifs », a déclaré Huber. « Nous travaillons depuis de nombreuses années sur des impulsions lumineuses avec de moins en moins de cycles d’oscillation. La possibilité de générer des impulsions térahertz si courtes qu’elles comprennent effectivement moins d’un seul demi-cycle d’oscillation dépassait nos rêves audacieux. »

    Ensuite, l’équipe a l’intention d’utiliser ces impulsions pour manipuler des électrons dans des matériaux quantiques à température ambiante, en explorant les mécanismes de traitement de l’information quantique. Les impulsions pourraient également être utilisées pour le traitement ultra-rapide d’informations conventionnelles.

    « Maintenant que nous connaissons le facteur clé des impulsions unipolaires, nous pouvons peut-être façonner les impulsions térahertz pour qu’elles soient encore plus asymétriques et adaptées au contrôle des qubits semi-conducteurs », a déclaré Qiannan Wen, titulaire d’un doctorat. étudiant en physique appliquée à l’UM et co-premier auteur de l’étude, avec Christian Meineke et Michael Prager, Ph.D. étudiants en physique à l’Université de Ratisbonne.

    Des collaborateurs de l’Université Justus Liebig Giessen et de l’Université Helmut Schmidt, toutes deux en Allemagne, ont contribué à l’expérience et à la caractérisation des nanofeuilles.

    Cette recherche a été soutenue par la Fondation allemande pour la recherche (DFG), la Fondation WM Keck et la National Science Foundation.

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