Broadband emitter localization and prefabrication two-photon interference from InAs/InP quantum dots monolithically grown on an InGaAsP/InP distributed Bragg reflector

Pour construire un avenir où les ordinateurs communiquent par la lumière plutôt que par l'électricité, les scientifiques ont besoin d'un moyen fiable de générer des particules de lumière uniques, appelées photons, une à une. Ces minuscules paquets d'énergie sont les unités fondamentales d'une nouvelle sorte de technologie appelée traitement de l'information quantique, qui promet de résoudre des problèmes actuellement impossibles pour les ordinateurs standards. Cependant, créer un flux régulier de ces photons uniques est difficile. Les sources les plus prometteuses sont de minuscules atomes artificiels fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs, appelés points quantiques. Bien que ces points puissent émettre la lumière requise, ils sont souvent dispersés de manière aléatoire sur une surface, et capturer leur lumière efficacement constitue un obstacle majeur. De plus, pour que ces systèmes fonctionnent dans les réseaux de fibre optique du monde réel, la lumière doit être d'une couleur spécifique, connue sous le nom de bande C télécom, qui voyage à travers les câbles de verre avec une perte minimale. Le défi consiste à créer un système qui non seulement produit ces photons de haute qualité, mais qui permet également aux scientifiques de trouver et de cibler des points spécifiques avant de construire des dispositifs complexes autour d'eux, tout en ne dégradant pas les propriétés délicates de la lumière elle-même.

Des chercheurs en Pologne ont désormais démontré une nouvelle approche qui s'attaque à ces problèmes en faisant croître une pile spécialisée de matériaux sur une seule plaquette de cristal. Ils ont créé une plateforme utilisant des points quantiques à faible densité faits d'arséniure d'indium et de phosphure d'indium, placés sur une structure miroir appelée miroir de Bragg distribué. Ce miroir n'est pas une simple feuille de métal, mais est composé de couches alternées de différents matériaux semi-conducteurs, conçues pour réfléchir la lumière d'une gamme de couleurs spécifique vers le haut. L'objectif était de créer un système qui agit comme un extracteur de lumière à large bande, augmentant la quantité de lumière qui s'échappe des points quantiques dans l'air au-dessus, les rendant plus faciles à observer et à étudier. En conceissant soigneusement l'épaisseur des couches entre les points et le miroir, l'équipe a simulé que cette structure pouvait capturer plus de dix pour cent de la lumière émise dans une plage de couleurs de quarante nanomètres, une amélioration significative par rapport aux configurations standards où la majeure partie de la lumière est perdue ou piégée à l'intérieur du matériau.

L'équipe a fait croître toute cette structure en un seul processus continu en utilisant une technique appelée épitaxie en phase vapeur organométallique, qui permet un contrôle précis des couches atomiques. Ils ont d'abord calibré les taux de croissance pour s'assurer que les couches avaient l'épaisseur correcte pour former un miroir efficace pour la bande C télécom. La pile de miroirs résultante mesurait environ 4,8 micromètres d'épaisseur et se terminait par une couche d'espacement qui positionnait les points quantiques à la hauteur optimale pour bénéficier de la réflexion du miroir. Pour vérifier la qualité de leur croissance, ils ont examiné la surface par microscopie à force atomique et ont constaté que les points quantiques étaient clairsemés, avec une densité d'environ 130 millions de points par centimètre carré. Ces points étaient remarquablement uniformes en taille et en forme, ressemblant à de petites pyramides à sommet plat avec une base carrée, ce qui est un trait desirable pour produire une lumière constante. Les chercheurs ont également confirmé que la structure du miroir fonctionnait comme prévu en mesurant sa réflectivité, qui atteignait près de 99 pour cent à la longueur d'onde cible, créant une fenêtre large où la lumière pouvait s'échapper efficacement.

Une fois la structure prête, les chercheurs se sont attaqués à la tâche critique de trouver des points quantiques individuels à utiliser comme sources. Parce que le miroir augmentait la sortie de lumière, ils ont pu utiliser une caméra à champ large pour prendre des photos de l'échantillon pendant qu'il était refroidi à des températures extrêmement basses. En filtrant la lumière pour ne regarder que les couleurs spécifiques émises par les points, ils pouvaient isoler des émetteurs uniques du bruit de fond. La luminosité accrue leur a permis de localiser l'emplacement exact d'un point unique avec une précision statistique d'environ 2,5 nanomètres. Ce niveau de précision est crucial car il signifie que les scientifiques peuvent cartographier la position d'un point spécifique avec assez de détails pour construire ultérieurement un dispositif personnalisé, tel qu'une minuscule cavité ou une lentille, directement au-dessus de lui. Cette capacité transforme le processus d'une recherche aléatoire en un flux de travail déterministe, où des émetteurs spécifiques et de haute qualité peuvent être sélectionnés et intégrés dans des circuits complexes.

Une fois un point unique identifié, l'équipe a étudié la qualité des photons qu'il émettait. Ils se sont concentrés sur un type spécifique d'émission provenant d'un exciton chargé, un état où un électron et un trou sont liés avec une charge supplémentaire, qui émettait de la lumière à une longueur d'onde de 1549,5 nanomètres. En utilisant un laser pulsé pour exciter le point, ils ont mesuré la fréquence à laquelle le point émettait deux photons à la fois, un signe d'impureté. Ils ont constaté que le point émettait des photons uniques avec une pureté d'environ 94,7 pour cent, ce qui signifie qu'il faisait rarement l'erreur d'envoyer deux photons ensemble. Plus important encore, ils ont testé si les photons étaient identiques les uns aux autres, une propriété connue sous le nom d'indistinguabilité, qui est essentielle pour l'interférence quantique. En envoyant des paires de photons du point dans un interféromètre spécial, ils ont observé que les photons interféraient entre eux avec une visibilité de 51 pour cent dans une fenêtre de deux nanosecondes. Cette visibilité tombait à 41 pour cent lorsqu'elle était mesurée sur une fenêtre plus longue de quatre nanosecondes, mais ces résultats ont été obtenus sans utiliser de structures supplémentaires pour accélérer artificiellement le processus d'émission, ce qui est souvent requis pour atteindre une telle cohérence.

La signification de ce travail réside dans le fait que les chercheurs ont obtenu ces résultats en utilisant une structure planaire simple et non transformée. Dans de nombreuses expériences précédentes, des niveaux élevés d'indistinguabilité de photons n'étaient observés qu'après l'intégration des points quantiques dans des cavités résonantes complexes qui augmentaient leur taux d'émission. Ici, l'équipe a montré que la qualité intrinsèque de la lumière des points quantiques était déjà suffisamment élevée pour produire de forts effets d'interférence simplement en les plaçant sur un miroir à large bande. Cela suggère que le système de matériaux est robuste et que les photons conservent leurs propriétés quantiques même avant toute fabrication finale de dispositif. La combinaison d'une extraction de lumière efficace, d'une localisation précise des émetteurs et d'une haute cohérence de photon dans une plateforme monolithique unique fournit une base solide pour construire les futurs dispositifs quantiques. Cela démontre qu'en concevant soigneusement la croissance des matériaux et le miroir sous-jacent, il est possible de créer un point de départ pour la technologie quantique qui soit à la fois évolutif et capable de fournir la lumière de haute qualité requise pour des applications avancées dans les communications sécurisées et l'informatique quantique.