반도체 나노구조의 새로운 형태의 양자비트

2023년 7월 25일

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작성자: Julia Weiler, Ruhr-Universitaet-Bochum

연구자들은 양자 컴퓨팅의 기초가 될 수 있는 반도체 나노구조에서 양자 중첩 상태를 생성했습니다. 비결은 단일 테라헤르츠 레이저 펄스처럼 작동하는 두 개의 광학 레이저 ​​펄스입니다.

독일-중국 연구팀이 반도체 나노구조에 양자비트를 만드는 데 성공했다. 특별한 에너지 전이를 사용하여 연구원들은 전자 구멍이 두 개의 서로 다른 에너지 레벨을 동시에 보유하는 반도체의 작은 영역인 양자점에서 중첩 상태를 만들었습니다. 이러한 중첩 상태는 양자 컴퓨팅의 기본입니다.

그러나 상태를 여기시키려면 테라헤르츠 범위의 빛을 방출할 수 있는 대규모 자유 전자 레이저가 필요합니다. 게다가 이 파장은 너무 길어서 작은 양자점에 빔을 집중시킬 수 없습니다. 독일-중국 팀은 이제 세밀하게 조정된 두 개의 단파장 광학 레이저 ​​펄스를 사용하여 여기를 달성했습니다.

항저우 저장대학교 Feng Liu가 이끄는 팀은 Ruhr University Bochum의 Arne Ludwig 박사가 이끄는 그룹 및 중국과 영국의 다른 연구자와 함께 2023년 7월 24일 온라인에 게재된 Nature Nanotechnology 저널에 연구 결과를 보고했습니다. .

연구팀은 소위 방사성 오거 전이(radiative Auger Transition)를 활용했습니다. 이 과정에서 전자는 정공과 재결합하여 부분적으로는 단일 광자의 형태로 에너지를 방출하고 부분적으로는 에너지를 다른 전자로 전달하여 방출합니다. 전자 정공, 즉 누락된 전자에서도 동일한 과정을 관찰할 수 있습니다. 2021년, 연구팀은 반도체에서 방사성 오제 전이를 구체적으로 자극하는 데 처음으로 성공했습니다.

현재 프로젝트에서 연구원들은 복사 오제 프로세스가 일관되게 구동될 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 서로 특정 비율의 강도를 갖는 두 개의 서로 다른 레이저 빔을 사용했습니다. 첫 번째 레이저를 사용하여 양자점의 전자-정공 쌍을 자극하여 두 개의 정공과 전자로 구성된 준입자를 생성했습니다. 두 번째 레이저를 사용하여 그들은 하나의 구멍을 일련의 더 높은 에너지 상태로 높이기 위해 방사형 오거 프로세스를 촉발했습니다.

연구팀은 구멍 바닥 상태와 더 높은 에너지 상태 사이의 중첩을 생성하기 위해 미세하게 조정된 레이저 펄스를 사용했습니다. 따라서 구멍은 두 상태 모두에 동시에 존재했습니다. 이러한 중첩은 양자 비트의 기초가 되며, 기존 비트와 달리 "0"과 "1" 상태뿐만 아니라 두 가지 상태의 중첩으로도 존재합니다.

Hans-Georg Babin은 Andreas Wieck 교수가 이끄는 응용 고체 물리학 의장인 Arne Ludwig 박사의 감독하에 Ruhr University Bochum에서 실험을 위한 고순도 반도체 샘플을 생산했습니다. 이 과정에서 연구진은 양자점의 앙상블 균질성을 높이고 생성된 구조의 높은 순도를 보장했다. 이러한 조치는 Jun-Yong Yan 및 Feng Liu와 협력하는 중국 파트너의 실험 수행을 촉진했습니다.

추가 정보: Jun-Yong Yan 외, 반도체 양자점의 고궤도 홀의 일관성 제어, Nature Nanotechnology(2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01442-y

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