Toward triggered generation of indistinguishable single-photons from MoTe$_2$ quantum emitters

El futuro de la comunicación ultra segura y la computación potente depende de un tipo muy específico de luz: los fotones individuales. Estos son partículas de luz individuales que pueden transportar información sin el ruido e interferencia que afectan a las señales tradicionales. Para que estos sistemas funcionen a largas distotas, los fotones deben ser indistinguibles, lo que significa que son idénticos en todos los sentidos, como dos monedas acuñadas del mismo molde en el mismo instante exacto. Si difieren aunque sea ligeramente, los delicados efectos cuánticos necesarios para estas tecnologías se rompen. Aunque los científicos han encontrado formas de crear estos fotones individuales, hacerlo en las longitudes de onda utilizadas por las redes de telecomunicaciones globales ha resultado difícil. La mayoría de las fuentes existentes operan en frecuencias de luz visible, que se absorben rápidamente en los cables de fibra óptica, lo que las hace inadecuadas para viajes de larga distancia. Los investigadores han estado buscando un material que pueda generar estos fotones perfectos e idénticos en las longitudes de onda de infrarrojo cercano utilizadas por el internet, pero encontrar una fuente que sea tanto fiable como de alta calidad ha seguido siendo un obstáculo significativo.

Un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca ha demostrado ahora una nueva forma de crear estas esquivas partículas de luz utilizando un material llamado diteluro de molibdeno. Este material es un cristal bidimensional, lo que significa que tiene solo unos pocos átomos de espesor, y emite luz naturalmente en el rango de infrarrojo cercano, que está mucho más cerca de las longitudes de onda utilizadas en telecomunicaciones que otros materiales. El desafío ha sido que, si bien este material puede emitir luz, los fotones que produce han sido típicamente desordenados, con colores y tiempos variables que los hacen imposibles de usar para tareas cuánticas avanzadas. Los investigadores se propusieron solucionar esto creando un entorno controlado donde pudieran forzar al material a emitir fotones perfectos e idénticos bajo demanda.

Para lograrlo, el equipo construyó una etapa especializada para sus cristales. Comenzaron con una superficie similar a un espejo diseñada para hacer rebotar la luz de un lado a otro, maximizando la cantidad de luz que podía ser recolectada. Sobre esto, colocaron diminutos pilares en forma de estrella hechos de una resina dura. Cuando transfirieron una fina lámina de diteluro de molibdeno sobre estos pilores, el material se dobló y arrugó naturalmente alrededor de los puntos afilados. Estas arrugas crearon áreas de intensa tensión física dentro del cristal. Los investigadores utilizaron entonces un haz enfocado de electrones para crear defectos diminutos y específicos en estas áreas estresadas. Esta combinación de tensión física y daño a escala atómica actuó como una trampa, confinando la energía dentro del cristal en un punto minúsculo donde podría liberar un solo fotón.

Los resultados supusieron una mejora significativa respecto a intentos anteriores con este material. El equipo descubrió que estos emisores diseñados producían luz en un rango de longitudes de onda muy específico, entre 1090 y 1200 nanómetros, que se encuentra en la parte de infrarrojo cercano del espectro. La luz que emitían estaba altamente polarizada, lo que significa que las ondas de luz vibraban en una dirección única y consistente, una señal de una fuente bien controlada. Lo más importante es que los fotones eran emitidos muy rápidamente, con una vida media de solo 130 a 450 picosegundos, lo que es una billonésima de segundo. Esta velocidad es crucial porque reduce el tiempo que el fotón tiene para interactuar con su entorno y volverse "desordenado".

Para demostrar que estos eran verdaderamente fotones individuales y no solo luz tenue, los investigadores midieron cómo se comportaban los fotones al llegar a un detector. Descubrieron que los fotones llegaban uno por uno, con una probabilidad muy baja de que dos llegaran al mismo tiempo. Al ajustar cuidadosamente la forma en que excitaban el material con un láser, pudieron reducir el ruido de fondo a casi nada, resultando en un nivel de pureza donde la probabilidad de que apareciera un segundo fotón era de menos del uno por ciento. También descubrieron que, al aplicar un pequeño voltaje eléctrico al dispositivo, podían desplazar el color de la luz emitida en una cantidad pequeña pero útil. Esta capacidad de sintonización es esencial para igualar los colores de diferentes emisores para que puedan trabajar juntos en una red más grande.

La prueba más crítica para estas fuentes fue observar si los fotones eran indistinguibles. Los investigadores configuraron un experimento donde dos fotones de la fuente se enviaban para encontrarse en un divisor de haz. Si los fotones son idénticos, interferirán entre sí de una manera específica, causando que salgan juntos en lugar de por separado. El equipo observó esta interferencia, confirmando que los fotones eran, en efecto, indistinguibles. Aunque el efecto no era perfecto, fue el más fuerte jamás medido para este tipo de material. Al filtrar los datos para observar solo los momentos más limpios, lograron un nivel de indistinguibilidad que nunca se había alcanzado con el diteluro de molibdeno.

Este trabajo marca un punto de inflexión para el uso de cristales bidimensionales en la tecnología cuántica. Demuestra que, combinando la tensión física, la creación precisa de defectos y el control eléctrico, los científicos pueden convertir un material difícil en una fuente fiable de fotones individuales. La capacidad de sintonizar la emisión y lograr una alta pureza sugiere que estas fuentes podrían eventualmente integrarse en las redes de fibra óptica existentes que impulsan el internet. Si bien los dispositivos actuales aún no alcanzan las longitudes de onda exactas utilizadas para las telecomunicaciones de larga distancia, el camino a seguir está claro. Al ajustar el espesor del material y refinar el proceso de fabricación, estos emisores podrían convertirse pronto en un componente estándar en la próxima generación de sistemas de comunicación cuántica, acercando la promesa de redes inhackeables y computadoras cuánticas potentes a la realidad.