Asymmetric two-photon response of an incoherently driven quantum emitter

En la búsqueda de la construcción de una internet cuántica o una computadora cuántica, los científicos dependen de un tipo muy específico de luz: un flujo de partículas individuales llamadas fotones, enviados uno por uno. Para que estas máquinas funcionen, la fuente de esta luz debe ser increíblemente precisa, emitiendo exactamente un fotón a la vez con una fiabilidad casi perfecta. Si una fuente envía accidentalmente dos fotones juntos, los delicados cálculos de una computadora cuántica pueden fallar, o la seguridad de un mensaje cuántico puede verse comprometida. Las herramientas más prometedoras para crear este flujo perfecto son los puntos cuánticos, que son diminutos átomos artificiales hechos de materiales semiconductores. Al ser golpeados con un pulso láser, se supone que estos puntos absorben la energía e inmediatamente liberan un solo fotón. Sin embargo, la naturaleza rara vez es tan simple. Incluso en una configuración perfecta, el pulso láser es lo suficientemente largo como para que el punto pueda absorber la energía, liberar un fotón y luego volver a excitarse por el mismo pulso antes de que este haya terminado. Esta "reexcitación" resulta en la emisión de un segundo fotón, arruinando la pureza del flujo de fotones individuales.

Durante años, los investigadores han estudiado este problema utilizando un método llamado excitación resonante, donde el láser se sintoniza para coincidir exactamente con la frecuencia natural del punto. Pero ha surgido un enfoque diferente y más robusto: utilizar un láser que está ligeramente fuera de sintonía y confiar en las vibraciones dentro del material, conocidas como fonones, para ayudar al punto a absorber la energía. Este método asistido por fonones es valorado porque es menos sensible a las imperfecciones del láser y facilita la filtración de la luz parásita del láser. Sin embargo, hasta ahora, nadie sabía exactamente cómo se comportaba el problema de la reexcitación bajo estas condiciones específicas. Un equipo de físicos ha mapeado este proceso en detalle, revelando que los dos fotones producidos por un solo pulso no son solo gemelos idénticos; son fundamentalmente diferentes en su tiempo y color. Al comprender estas diferencias, los investigadores han encontrado una manera de filtrar el segundo fotón no deseado, asegurando un flujo limpio de fotones individuales independientemente de cuán largo sea el pulso del láser.

La historia comienza con un punto cuántico, una mota de material semiconductor tan pequeña que atrapa electrones de una manera que imita a un solo átomo. En este experimento, los investigadores utilizaron un punto hecho de arseniuro de indio y galio, incrustado en una estructura diseñada para ayudarlo a emitir luz eficientemente. Golpearon este punto con un pulso láser azul desintonizado. "Azul desintonizado" simplemente significa que el color del láser era de una energía ligeramente superior a la preferencia natural del punto. Para cerrar esta brecha, el punto tuvo que tomar prestada energía de las vibraciones de su propia red cristalina —los fonones—. Esta interacción permitió que el punto saltara a un estado excitado. El proceso es como una danza de dos pasos donde el punto primero toma un fotón y una vibración, y luego se asienta para liberar un fotón.

Los investigadores estaban interesados en lo que sucede cuando el pulso del láser es lo suficientemente largo como para que el punto pueda excitarse, liberar un fotón y luego excitarse de nuevo antes de que el pulso del láser termine. Este es el evento de reexcitación. Utilizando una configuración sofisticada que podía registrar el tiempo y el color exactos de cada fotón, rastrearon estos raros eventos de doble emisión. Descubrieron que los dos fotones producidos en un solo evento de reexcitación no se emiten al mismo tiempo ni con las mismas propiedades. El primer fotón se emite mientras el pulso del láser todavía está interactuando con el punto. Debido a que el láser todavía está presente, este cambia los niveles de energía del punto en tiempo real, un fenómeno conocido como el efecto Stark dinámico. Esto causa que el primer fotón se emita en un color, o frecuencia, ligeramente diferente al de la emisión natural del punto. También se emite muy rápidamente, siguiendo de cerca la forma del propio pulso del láser.

El segundo fotón, sin embargo, cuenta una historia diferente. Se emite solo después de que el pulso del láser ha pasado por completo y el punto ha regresado a su estado natural. Consecuentemente, este segundo fotón tiene el color natural del punto y se emite durante un periodo más largo, siguiendo el tiempo de decaimiento natural del estado excitado. Los investigadores midieron estas diferencias con alta precisión. Observaron que el primer fotón sufrió un desplazamiento de color que dependía de la fuerza del láser. Al medir este desplazamiento, pudieron calcular la fuerza de la interacción entre el láser y el punto, un valor conocido como la frecuencia de Rabi, sin necesidad de las complejas interacciones coherentes usualmente requeridas para tales mediciones. Esto proporcionó una ventana directa a la física del proceso de excitación incoherente.

El hallazgo más significativo, sin embargo, no fue solo observar estas diferencias, sino utilizarlas. Debido a que el primer fotón (el no deseado) tiene un color diferente al segundo fotón (el deseado), los investigadores se dieron cuenta de que podían usar un filtro de color simple para separarlos. Colocaron un filtro en la trayectoria de la luz que solo permitía el paso del color natural. Cuando probaron esto, los resultados fueron sorprendentes. Sin el filtro, el número de eventos de dos fotones no deseados crecía constantemente a medida que hacían los pulsos del láser más largos. Pero con el filtro colocado, el número de estos errores se mantuvo bajo y constante, incluso a medida que el pulso cambiaba de longitud. El filtro bloqueaba eficazmente el primer fotón desplazado mientras dejaba pasar el segundo fotón puro.

Este descubrimiento ofrece una solución práctica a un problema persistente en la tecnología cuántica. A medida que los científicos construyen mejores puntos cuánticos con tasas de emisión más rápidas, el riesgo de reexcitación aumenta porque el punto decae tan rápido que es más probable que sea golpeado de nuevo por el mismo pulso. Los métodos tradicionales para detener esto, como acortar los pulsos del láser, tienen límites. El nuevo enfoque, utilizando el desplazamiento de color natural causado por el propio láser, permite fuentes de fotones individuales de alta pureza que son robustas frente a las variaciones en la longitud del pulso. Esto significa que para aplicaciones en criptografía y computación cuántica, donde la pureza de la luz es primordial, el sistema puede mantener un alto rendimiento sin necesidad de ajustar constantemente la sincronización del láser. Los investigadores demostraron que, simplemente comprendiendo y filtrando basándose en la firma espectral única del proceso de reexcitación, podían suprimir el ruido que usualmente limita estas fuentes cuánticas, allanando el camino para tecnologías cuánticas más fiables y escalables.