Uma equipe de pesquisa germano-chinesa obteve com êxito a realização de um estado de superposição quântica em uma nanoestrutura semicondutora, representando uma conquista significativa para o campo da computação quântica.

Através da utilização de dois pulsos de laser óptico de curto comprimento de onda, devidamente calibrados, os pesquisadores foram capazes de gerar um qubit quântico na referida nanoestrutura semicondutora.

Nesse contexto, a equipe alcançou exitosamente um qubit quântico em uma nanoestrutura semicondutora por meio da manipulação de uma transição energética especial.

Esse feito foi realizado em um ponto quântico, uma região minúscula do material semicondutor, na qual um “buraco” de elétron apresentou simultaneamente dois níveis distintos de energia.

Vale ressaltar que tais estados de superposição possuem relevância fundamental para o avanço da computação quântica.

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Anteriormente, a indução desse estado demandava o emprego de um laser de elétrons livres em larga escala, capaz de emitir luz na faixa terahertz. Contudo, o comprimento de onda associado a esse tipo de laser era excessivamente longo para possibilitar um foco preciso do feixe no ponto quântico em questão.

No entanto, a equipe atual conseguiu obter a excitação necessária através da utilização de dois pulsos de laser óptico, de comprimento de onda curto, devidamente calibrados e ajustados com precisão.

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As descobertas obtidas pela equipe, liderada por Feng Liu, da Universidade de Zhejiang em Hangzhou, em colaboração com um grupo liderado pelo Dr. Arne Ludwig, da Universidade de Ruhr em Bochum, juntamente com outros pesquisadores da China e do Reino Unido, foram devidamente relatadas no periódico Nature Nanotechnology, tendo sua publicação online ocorrida em 24 de julho de 2023.

Utilizando o Processo de Auger Radiativo

Para alcançar o estado de superposição desejado, os pesquisadores empregaram a transição de Auger radiativa, um processo no qual um elétron recomina-se com um “buraco” (lacuna eletrônica), resultando na liberação parcial de energia sob a forma de um fóton e a transferência de parte dessa energia para outro elétron.

Esse fenômeno também pode ser observado em buracos de elétrons, ou seja, sítios onde elétrons estão ausentes.

Em um marco significativo em 2021, uma equipe de pesquisadores conseguiu estimular de forma específica a transição de Auger radiativa em um material semicondutor, alcançando um marco pioneiro nesse campo de estudo.

No escopo do projeto atual, os pesquisadores apresentaram evidências de que o processo de Auger radiativa pode ser conduzido de maneira coerente.

Essa coerência foi estabelecida ao empregarem dois feixes de laser distintos, cujas intensidades foram cuidadosamente ajustadas em uma relação específica.

Utilizando o primeiro feixe de laser, eles efetuaram a excitação de um par elétron-hole no ponto quântico, originando assim uma quasipartícula composta por dois buracos e um elétron.

Por meio da aplicação do segundo feixe de laser, eles iniciaram o processo de Auger radiativa com o intuito de elevar um dos buracos a uma série de estados de energia mais elevados.

Criação de Superposição Quântica

Os pesquisadores empregaram pulsos de laser meticulosamente calibrados para induzir uma superposição entre o estado fundamental do “buraco” (lacuna eletrônica) e um estado de energia mais elevado.

Consequentemente, o “buraco” passou a coexistir simultaneamente em ambos os estados.

Essas superposições formam a base dos bits quânticos, que, diferentemente dos bits convencionais, não se limitam aos estados “0” e “1”, mas também existem em superposições de ambos.

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Hans-Georg Babin produziu amostras de semicondutores de alta pureza para o experimento na Universidade de Ruhr em Bochum, sob a orientação do Dr. Arne Ludwig, no Departamento de Física do Estado Sólido Aplicada, liderado pelo Professor Andreas Wieck.

Durante o processo, os pesquisadores aprimoraram a homogeneidade do conjunto de pontos quânticos e garantiram a alta pureza das estruturas produzidas.

Essas medidas facilitaram a realização dos experimentos pelos colaboradores chineses que trabalharam com Jun-Yong Yan e Feng Liu.

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