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

L'avenir des communications ultra-sécurisées et de l'informatique puissante repose sur un type de lumière très spécifique : les photons uniques. Ce sont des particules de lumière individuelles qui peuvent transporter de l'information sans le bruit et les interférences qui affectent les signaux traditionnels. Pour que ces systèmes fonctionnent sur de longues distances, les photons doivent être indiscernables, ce qui signifie qu'ils sont identiques en tout point, comme deux pièces frappées du même moule au même instant précis. S'ils diffèrent ne serait-ce qu'un peu, les effets quantiques délicats nécessaires à ces technologies s'effondrent. Bien que les scientifiques aient trouvé des moyens de créer ces photons uniques, le faire aux longueurs d'onde utilisées par les réseaux mondaux de télécommunications s'est avéré difficile. La plupart des sources existantes fonctionnent aux fréquences de la lumière visible, qui est rapidement absorbée par les câbles à fibres optiques, ceant les rendant inadaptées aux longs trajets. Les chercheurs recherchent un matériau capable de générer ces photons parfaits et identiques aux longueurs d'onde du proche infrarouge utilisées par l'internet, mais trouver une source à la fois fiable et de haute qualité est resté un obstacle majeur.

Une équipe de chercheurs de l'Université technique du Danemark a maintenant démontré une nouvelle façon de créer ces particules de lumière insaisissables en utilisant un matériau appelé ditellure de molybdène. Ce matériau est un cristal bidimensionnel, ce qui signifie qu'il n'a que quelques atomes d'épaisseur, et il émet naturellement de la lumière dans le proche infrarouge, ce qui est beaucoup plus proche des longueurs d'onde utilisées dans les télécommunications que d'autres matériaux. Le défi était que, bien que ce matériau puisse émettre de la lumière, les photons qu'il produit étaient généralement désordonnés, avec des couleurs et un timing variables qui les rendent impossibles à utiliser pour des tâches quantiques avancées. Les chercheurs ont entrepris de résoudre ce problème en créant un environnement contrôlé où ils pourraient forcer le matériau à émettre des photons parfaits et identiques sur demande.

Pour y parvenir, l'équipe a construit une scène spécialisée pour leurs cristaux. Ils ont commencé par une surface semblable à un miroir conçue pour faire rebondir la lumière d'avant en arrière, maximisant ainsi la quantité de lumière qui pouvait être collectée. Sur celle-ci, ils ont placé de minuscules piliers en forme d'étoile faits d'une résine dure. Lorsqu'ils ont transféré une fine lamelle de ditellure de molybdène sur ces piliers, le matériau s'est naturellement plié et froissé autour des pointes acérées. Ces plis ont créé des zones de stress physique intense au sein du cristal. Les chercheurs ont ensuite utilisé un faisceau d'électrons focalisé pour créer de minuscules défauts spécifiques dans ces zones de stress. Cette combinaison de contrainte physique et de dommages à l'échelle atomique a agi comme un piège, confinant l'énergie au sein du cristal en un point minuscule où elle pouvait libérer un photon unique.

Les résultats ont constitué une amélioration significative par rapport aux tentatives précédentes avec ce matériau. L'équipe a constaté que ces émetteurs fabriqués produisaient de la lumière dans une plage de longueurs d'onde très spécifique, entre 1090 et 1200 nanomètres, ce qui se situe dans la partie proche infrarouge du spectre. La lumière qu'ils émettaient était hautement polarisée, ce qui signifie que les ondes de lumière vibraient dans une direction unique et constante, signe d'une source bien contrôlée. Plus important encore, les photons étaient émis très rapidement, avec une durée de vie de seulement 130 à 450 picosecondes, soit un millième de milliardième de seconde. Cette vitesse est cruciale car elle réduit le temps pendant lequel le photon peut interagir avec son environnement et devenir « désordonné ».

Pour prouver qu'il s'agissait véritablement de photons uniques et non simplement d'une lumière faible, les chercheurs ont mesuré comment les photons se comportaient lorsqu'ils arrivaient à un détecteur. Ils ont constaté que les photons arrivaient un par un, avec une probabilité très faible que deux arrivent en même temps. En ajustant soigneusement la manière dont ils excitaient le matériau avec un laser, ils ont pu réduire le bruit de fond à presque rien, aboutissant à un niveau de pureté où la probabilité qu'un second photon apparaisse était inférieure à un pour cent. Ils ont également découvert qu'en appliquant une petite tension électrique au dispositif, ils pouvaient décaler la couleur de la lumière émise d'une quantité faible mais utile. Cette capacité de réglage est essentielle pour faire correspondre les couleurs de différents émetteurs afin qu'ils puissent travailler ensemble dans un réseau plus vaste.

Le test le plus critique pour ces sources consistait à voir si les photons étaient indiscernables. Les chercheurs ont mis en place une expérience où deux photons provenant de la source étaient envoyés pour se rencontrer à un diviseur de faisceau. Si les photons sont identiques, ils interféreront de manière spécifique, les faisant sortir ensemble plutôt que séparément. L'équipe a observé cette interférence, confirmant que les photons étaient effectivement indiscernables. Bien que l'effet ne soit pas parfait, c'était le plus fort jamais mesuré pour ce type de matériau. En filtrant les données pour ne regarder que les moments les plus clairs, ils ont atteint un niveau d'indiscernabilité qui n'avait jamais été atteint auparavant avec le ditellure de molybdène.

Ce travail marque un tournant pour l'utilisation des cristaux bidimensionnels dans la technologie quantique. Il montre qu'en combinant la contrainte physique, la création précise de défauts et le contrôle électrique, les scientifiques peuvent transformer un matériau difficile en une source fiable de photons uniques. La capacité de régler l'émission et d'obtenir une haute pureté suggère que ces sources pourraient éventuellement être intégrées dans les réseaux de fibre optique existants qui alimentent l'internet. Bien que les dispositifs actuels n'atteignent pas encore exactement les longueurs d'onde utilisées pour les télécommunications longue distance, la voie à suivre est claire. En ajustant l'épaisseur du matériau et en affinant le processus de fabrication, ces émetteurs pourraient bientôt devenir un composant standard des prochaines générations de systèmes de communication quantique, rapprochant de la réalité la promesse de réseaux inviolables et d'ordinateurs quantiques puissants.