Spin-to-polarization mapping with a coherent quantum dot-cavity receiver

Auf der Suche nach dem Aufbau eines Quanteninternets versuchen Wissenschaftler, ein grundlegendes Problem zu lösen: wie Licht und Materie perfekt miteinander kommunizieren können. Licht, in Form von Photonen, ist hervorragend geeignet, um Informationen über lange Distanzen zu tragen, da es schnell bewegt wird und nicht leicht gestört werden kann. Materie, speziell winzige Teilchen namens Elektronen, die in festen Materialien gefangen sind, ist hervorragend geeignet, um diese Informationen zu speichern, da sie an Ort und Stelle bleiben. Die Herausforderung besteht darin, eine Brücke zwischen den beiden zu schlagen. Damit ein Quantennetzwerk funktioniert, muss ein stationäres Elektron in der Lage sein, den Zustand eines vorbeiziehenden Photons auf eine vorhersagbare Weise zu verändern, und das Photon muss wiederum in der Lage sein, den Zustand des Elektrons preiszugeben. Wenn diese Verbindung ungeordnet oder zufällig ist, geht die Information verloren. Forscher suchen schon lange nach einem Gerät, bei dem der Spin eines Elektrons – eine Eigenschaft, die man sich als einen winzigen internen Kompass vorstellen kann, der entweder nach oben oder unten zeigt – durch das bloße Betrachten der Farbe oder Orientierung eines einzelnen reflektierten Lichtteilchens ausgelesen werden kann.

Ein Forschungsteam am Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies in Frankreich hat nun einen entscheidenden Schritt in Richtung dieses Ziels demonstriert. Sie bauten ein spezialisiertes Gerät, das ein einzelnes Elektron enthält, das in einem mikroskopischen Kristallpfeiler gefangen ist, der als hochwertiger Spiegel für Licht fungiert. Durch das Abfeuern eines Laserstrahls auf dieses Gerät zeigten sie, dass die interne Kompassrichtung des Elektrons direkt die Orientierung des zurückkehrenden Lichts steuert. Wenn das Elektron in eine Richtung zeigt, verdreht sich das reflektierte Licht in eine Richtung; wenn es in die andere Richtung zeigt, verdreht sich das Licht in die entgegengesetzte Richtung. Dies schafft eine perfekte Eins-zu-eins-Verbindung zwischen dem unsichtbaren Zustand des Elektrons und dem sichtbaren Zustand des Lichts. Das Team bewies, dass sie durch die Detektion nur eines einzigen reflektierten Photons den Zustand des Elektrons mit einer Genauigkeit von 95 % bestimmen konnten. Darüber hinaus beobachteten sie, wie der Zustand des Elektrons im Laufe der Zeit langsam verblasste, indem sie verfolgten, wie sich die Orientierung des Lichts in den Momenten nach der ersten Detektion veränderte, und bildeten so den Lebenszyklus des Elektrons auf das Verhalten des Lichts ab.

Das Experiment beruhte auf einem Gerät, das als geladenes Quantenpunkt bezeichnet wird, was im Wesentlichen eine winzige Insel aus Halbleitermaterial ist, die in der Lage ist, ein einzelnes Elektron zu halten. Diese Insel wurde in einen Mikro-Pfeiler-Resonator platziert, eine Struktur aus alternierenden Kristallebenen, die das Licht einfängt und es dazu zwingt, viele Male hin und her zu reflektiert zu werden, bevor es entweicht. Diese Eingrenzung verstärkt die Wechselwirkung zwischen dem Licht und dem Elektron. Die Forscher kühlten den gesamten Aufbau auf 4 Kelvin ab, eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt, um das Elektron ruhig und stabil zu halten. Sie strahlten einen kontinuierlichen Laserstrahl, der auf eine spezifische Frequenz abgestimmt war, auf die Oberseite des Pfeilers. Als das Licht auf das Gerät traf, wurde ein Teil davon sofort reflektiert, während ein Teil in den Resonator eindrang, mit dem Elektron interagierte und dann zurückgestrahlt wurde. Die entscheidende Entdeckung war, dass die Art und Weise, wie das Licht bei Verlassen des Geräts mit sich selbst interferierte, vollständig davon abhing, ob das Elektron nach oben oder unten spinnte.

Um diese Verbindung zu beweisen, richteten die Wissenschaftler ein ausgeklügeltes Messsystem mit zwei Polarimetern auf, das sind Instrumente, die die präzise Orientierung von Lichtwellen detektieren können. Zuerst maßen sie das durchschnittliche Verhalten des Lichts, um den perfekten Abstimmungspunkt zu finden, an dem der Unterschied zwischen den beiden Elektronzuständen am deutlichsten war. Soblich sie diesen optimalen Punkt gefunden hatten, begannen sie mit einem feineren Experiment unter Verwendung von Photonenpaaren. Sie warteten, bis das erste Photon vom Gerät reflektiert und in einer bestimmten Orientierung detektiert wurde. Diese Detektion fungierte als Schnappschuss, der den Zustand des Elektrons in diesem exakten Moment offenbarte. Wenn das erste Photon mit einer bestimmten Drehung zurückkam, wussten die Forscher, dass das Elektron wahrscheinlich nach oben zeigte. Sie warteten dann einen winzigen Bruchteil einer Sekunde ab, um zu sehen, was das zweite Photon tun würde.

Die Ergebnisse zeigten eine klare zeitliche Abfolge. Unmittelbar nachdem das erste Photon detektiert wurde, reflektierte das zweite Photon mit derselben Orientierung, was bestätigte, dass der Zustand des Elektrons erfolgreich projiziert worden war und für diesen kurzen Moment stabil blieb. Jedoch, als die Zeit verging, begann die Orientierung des zweiten Photons zu driften. Dieser Drift war nicht zufällig; er folgte einem vorhersagbaren Muster, während das Elektron sich natürlich von seinem spezifischen Zustand zurück in einen gemischten, unsicheren Zustand entspannte. Die Forscher maßen diesen Relaxationsprozess und fanden heraus, dass das Elektron seine spezifische Orientierung etwa 1,9 Nanosekunden lang beibehielt, bevor die Information zu verblassen begann. Diese Zeitskala wurde durch die natürliche Wechselwirkung des Elektrons mit den umgebenden Atomkernen begrenzt, ein Prozess, der als Hyperfein-Wechselwirkung bekannt ist.

Das Team beobachtete auch eine sehr schnelle Anfangsphase, die etwa 200 Pikosekunden dauerte, was die Zeit ist, die das Licht benötigt, um eine stabile Wechselwirkung mit dem Elektron innerhalb des Resonators aufzubauen. Während dieser kurzen Phase stellte sich das Verhalten des Lichts noch ein, aber sobald diese transiente Phase vorüber war, trat die klare, deutliche Beziehung zwischen dem Spin des Elektrons und der Polarisation des Lichts hervor. Durch die Messung des Lichts bei unterschiedlichen Zeitverzögerungen konnten die Forscher den gesamten Lebenszyklus des Elektronenzustands rekonstruieren, vom Moment der Definition durch das erste Photon bis zum Moment, in dem es seine Definition verlor. Sie fanden heraus, dass die zwei möglichen Zustände des Elektrons Licht erzeugten, das fast perfekt entgegengesetzt zueinander war, wie zwei Pfeile, die in genau entgegengesetzte Richtungen zeigen.

Diese Arbeit demonstriert, dass es möglich ist, ein System zu konstruieren, in dem ein einzelnes Elektron und ein einzelnes Photon mit hoher Präzision gekoppelt sind. Obwohl das aktuelle Gerät dadurch begrenzt ist, wie lange das Elektron seinen Zustand halten kann, bevor es relaxiert, schlagen die Forscher vor, dass die Verwendung eines anderen Typs von Teilchen, wie etwa eines „Lochs“ (welches die Abwesenheit eines Elektrons darstellt), diese Zeit signifikant verlängern könnte. Die Fähigkeit, Quanteninformationen mithilfe von Licht auf diese deterministische Weise zu lesen und zu schreiben, ist eine grundlegende Voraussetzung für den Bau von Quantengattern, den grundlegenden Bausteinen zukünftiger Quantencomputer. Indem sie bewiesen haben, dass eine einzige Reflexion den Zustand eines stationären Qubits offenbaren kann und dass dieser Zustand über die Zeit verfolgt werden kann, bietet die Studie einen konkreten Weg zu den komplexen Netzwerken, die für ein Quanteninternet benötigt werden. Die Ergebnisse bestätigen, dass mit den richtigen Materialien und sorgfältiger Abstimmung die chaotische Welt der Quantenmechanik genutzt werden kann, um zuverlässige, kontrollierbare Verbindungen zwischen Licht und Materie zu schaffen.