Asymmetric two-photon response of an incoherently driven quantum emitter

Dans la quête de la construction d'un Internet quantique ou d'un ordinateur quantique, les scientifiques s'appuient sur un type de lumière très spécifique : un flux de particules individuelles appelées photons, envoyées une par une. Pour que ces machines fonctionnent, la source de cette lumière doit être incroyablement précise, émettant exactement un photon à la fois avec une fiabilité quasi parfaite. Si une source envoie accidentellement deux photons ensemble, les calculs délicats d'un ordinateur quantique peuvent échouer, ou la sécurité d'un message quantique peut être compromise. Les outils les plus prometteurs pour créer ce flux parfait sont les points quantiques, qui sont de minuscules atomes artificiels fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs. Lorsqu'ils sont frappés par une impulsion laser, ces points sont censés absorber l'énergie et relâcher immédiatement un photon unique. Cependant, la nature est rarement aussi simple. Même dans une configuration parfaite, l'impulsion laser est suffisamment longue pour que le point puisse absorber l'énergie, relâcher un photon, puis être excité à nouveau par la même impulsion avant que celle-ci ne soit terminée. Cette « re-excitation » entraîne l'émission d'un second photon, ruinant la pureté du flux de photons uniques.

Pendant des années, les chercheurs ont étudié ce problème en utilisant une méthode appelée pilotage résonnant, où le laser est accordé exactement sur la fréquence naturelle du point. Mais une approche différente, plus robuste, a émergé : utiliser un laser légèrement désaccordé et compter sur les vibrations au sein du matériau, connues sous le nom de phonons, pour aider le point à absorber l'énergie. Cette méthode assistée par phonons est prisée car elle est moins sensible aux imperfections du laser et facilite le filtrage de la lumière parasite du laser. Pourtant, jusqu'à présent, personne ne savait exactement comment le problème de la re-excitation se comportait dans ces conditions spécifiques. Une équipe de physiciens a désormais cartographié ce processus en détail, révélant que les deux photons produits par une seule impulsion ne sont pas seulement des jumeaux identiques ; ils sont fondamentalement différents dans leur chronologie et leur couleur. En comprenant ces différences, les chercheurs ont trouvé un moyen de filtrer le second photon indésirable, garantissant un flux de photons uniques propre, quelle que soit la durée de l'impulsion laser.

L'histoire commence avec un point quantique, un grain de matériau semi-conducteur si petit qu'il piège les électrons de manière à imiter un atome unique. Dans cette expérience, les chercheurs ont utilisé un point fait d'arséniure de gallium et d'indium, intégré dans une structure conçue pour l'aider à émettre de la lumière efficacement. Ils ont frappé ce point avec une courte impulsion laser bleu désaccordé. « Bleu désaccordé » signifie simplement que la couleur du laser était légèrement plus haute en énergie que la préférence naturelle du point. Pour combler cet écart, le point a dû emprunter de l'énergie aux vibrations de son propre réseau cristallin — les phonons. Cette interaction a permis au point de passer à un état excité. Le processus est comparable à une danse en deux étapes où le point saisit d'abord un photon et une vibration, puis se stabilise pour relâcher un photon.

Les chercheurs s'intéressaient à ce qui se passe lorsque l'impulsion laser est assez longue pour que le point puisse être excité, relâcher un photon, puis être excité à nouveau avant la fin de l'impulsion. Il s'agit de l'événement de re-excitation. À l'aide d'une installation sophistiquée capable d'enregistrer le temps et la couleur exacts de chaque photon, ils ont suivi ces rares événements de double émission. Ils ont découvert que les deux photons produits lors d'un seul événement de re-excitation ne sont pas émis au même moment ni avec les mêmes propriétés. Le premier photon est émis alors que l'impulsion laser interagit encore avec le point. Comme le laser est toujours présent, il modifie les niveaux d'énergie du point en temps réel, un phénomène connu sous le nom d'effet Stark dynamique. Cela provoque l'émission du premier photon à une couleur, ou fréquence, légèrement différente de son émission naturelle. Il est également émis très rapidement, suivant de près la forme de l'impulsion laser elle-même.

Le second photon, cependant, raconte une histoire différente. Il n'est émis qu'après que l'impulsion laser est complètement passée et que le point est revenu à son état naturel. Par conséquent, ce second photon possède la couleur naturelle du point et est émis sur une période plus longue, suivant le temps de déclin naturel de l'état excité. Les chercheurs ont mesuré ces différences avec une grande précision. Ils ont observé que le premier photon présentait un décalage de couleur dépendant de la force du laser. En mesurant ce décalage, ils ont pu calculer la force de l'interaction entre le laser et le point, une valeur connue sous le nom de fréquence Rabi, sans avoir besoin des interactions cohérentes complexes habituellement requises pour de telles mesures. Cela a fourni une fenêtre directe sur la physique du processus de pilotage incohérent.

La découverte la plus significative, cependant, n'était pas seulement l'observation de ces différences, mais leur utilisation. Parce que le premier photon (l'indésirable) possède une couleur différente du second photon (le désiré), les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient utiliser un simple filtre de couleur pour les séparer. Ils ont placé un filtre sur le chemin de la lumière qui ne laissait passer que la couleur naturelle. Lorsqu'ils ont testé cela, les résultats ont été frappants. Sans le filtre, le nombre d'événements à deux photons indésirables augmentait régulièrement à mesure qu'ils rallongeaient les impulsions laser. Mais avec le filtre en place, le nombre de ces erreurs est resté faible et constant, même lorsque la longueur de l'impulsion changeait. Le filtre bloquait efficacement le premier photon décalé tout en laissant passer le second photon pur.

Cette découverte offre une solution pratique à un problème persistant de la technologie quantique. Alors que les scientifiques construisent de meilleurs points quantiques avec des taux d'émission plus rapides, le risque de re-excitation augmente car le point décroît si vite qu'il est plus susceptible d'être frappé à nouveau par la même impulsion. Les méthodes traditionnelles pour stopper cela, comme le raccourcissement des impulsions laser, ont des limites. La nouvelle approche, utilisant le décalage de couleur naturel causé par le laser lui-même, permet d'obtenir des sources de photons uniques de haute pureté qui sont robustes face aux variations de la longueur d'impulsion. Cela signifie que pour des applications comme la cryptographie ou l'informatique quantiques, où la pureté de la lumière est primordiale, le système peut maintenir des performances élevées sans avoir besoin d'ajuster constamment la synchronisation du laser. Les chercheurs ont démontré qu'en comprenant et en filtrant simplement la signature spectrale unique du processus de re-excitation, ils pouvaient supprimer le bruit qui limite habituellement ces sources quantiques, ouvrant la voie à des technologies quantiques plus fiables et évolutives.