Asymmetric two-photon response of an incoherently driven quantum emitter

Nella ricerca di un internet quantistico o di un computer quantistico, gli scienziati si affidano a un tipo molto specifico di luce: un flusso di singole particelle chiamate fotoni, inviati uno alla volta. Affinché queste macchine possano funzionare, la sorgente di questa luce deve essere incredibilmente precisa, emettendo esattamente un fotone alla volta con una affidabilità quasi perfetta. Se una sorgente invia accidentalmente due fotoni insieme, i delicati calcoli di un computer quantistico possono fallire, o la sicurezza di un messaggio quantistico può essere compromessa. Gli strumenti più promettenti per creare questo flusso perfetto sono i punti quantici, minuscole atomi artificiali fatti di materiali semiconduttori. Quando colpiti da un impulso laser, questi punti dovrebbero assorbire l'energia e rilasciare immediatamente un singolo fotone. Tuttavia, la natura raramente è così semplice. Anche in un setup perfetto, l'impulso laser è abbastanza lungo che il punto potrebbe assorbire l'energia, rilasciare un fotone e poi eccitarsi di nuovo dallo stesso impulso prima che questo sia terminato. Questa "ri-eccitazione" risulta in un secondo fotone emesso, rovinando la purezza del flusso di fotoni singoli.

Per anni, i ricercatori hanno studiato questo problema utilizzando un metodo chiamato guida risonante, dove il laser è sintonizzato esattamente sulla frequenza naturale del punto. Ma un approccio diverso, più robusto, è emerso: l'uso di un laser leggermente fuori sintonia che si affida alle vibrazioni all'interno del materiale, note come fononi, per aiutare il punto ad assorbire l'energia. Questo metodo assistito dai fononi è apprezzato perché è meno sensibile alle imperfezioni del laser e rende più facile filtrare la luce laser residua. Eppure, fino ad ora, nessuno sapeva esattamente come si comportasse il problema della ri-eccitazione in queste specifiche condizioni. Un team di fisici ha ora mappato questo processo in dettaglio, rivelando che i due fotoni prodotti da un singolo impulso non sono solo gemelli identici; sono fondamentalmente diversi nella loro temporizzazione e nel loro colore. Comprendendo queste differenze, i ricercatori hanno trovato un modo per filtrare il secondo fotone indesiderato, garantendo un flusso pulito di fotoni singoli indipendentemente dalla durata dell'impulso laser.

La storia inizia con un punto quantico, un granello di materiale semiconduttore così piccolo da intrappolare gli elettroni in modo da mimare un singolo atomo. In questo esperimento, i ricercatori hanno utilizzato un punto fatto di arseniuro di indio gallio, inserito in una struttura progettata per aiutarlo a emettere luce efficientemente. Hanno colpito questo punto con un breve impulso laser "blue-detuned". "Blue-detuned" significa semplicemente che il colore del laser era di energia leggermente superiore rispetto alla preferenza naturale del punto. Per colmare questo divario, il punto ha dovuto prendere in prestito energia dalle vibrazioni del proprio reticolo cristallino, ovvero i fononi. Questa interazione ha permesso al punto di saltare a uno stato eccitato. Il processo è simile a una danza in due tempi dove il punto prima afferra un fotone e una vibrazione, poi si assesta per rilasciare un fotone.

I ricercatori erano interessati a cosa accade quando l'impulso laser è abbastanza lungo che il punto potrebbe eccitarsi, rilasciare un fotone e poi eccitarsi di nuovo prima che l'impulso laser finisca. Questo è l'evento di ri-eccitazione. Utilizzando un setup sofisticato in grado di registrare il tempo esatto e il colore di ogni fotone, hanno tracciato questi rari eventi di doppia emissione. Hanno scoperto che i due fotoni prodotti in un singolo evento di ri-eccitazione non sono emessi contemporaneamente o con le stesse proprietà. Il primo fotone viene emesso mentre l'impulso laser sta ancora interagendo con il punto. Poiché il laser è ancora presente, esso cambia i livelli di energia del punto in tempo reale, un fenomeno noto come effetto Stark dinamico. Ciò causa l'emissione del primo fotone a un colore, o frequenza, leggermente diverso rispetto all'emissione naturale del punto. È anche emesso molto rapidamente, seguendo da vicino la forma dell'impulso laser stesso.

Il secondo fotone, tuttavia, racconta una storia diversa. Viene emesso solo dopo che l'impulso laser è passato completamente e il punto è tornato al suo stato naturale. Di conseguenza, questo secondo fotone ha il colore naturale del punto ed è emesso su un periodo più lungo, seguendo il tempo di decadimento naturale dello stato eccitato. I ricercatori hanno misurato queste differenze con alta precisione. Hanno osservato che il primo fotone era spostato in colore di un ammontare che dipendeva dalla forza del laser. Misurando questo spostamento, potevano calcolare la forza dell'interazione tra il laser e il punto, un valore noto come frequenza di Rabi, senza bisogno delle complesse interazioni coerenti solitamente richieste per tali misurazioni. Ciò ha fornito una finestra diretta sulla fisica del processo di guida incoerente.

La scoperta più significativa, tuttavia, non è stata solo l'osservazione di queste differenze, ma il loro utilizzo. Poiché il primo fotone (quello indesiderato) ha un colore diverso dal secondo fotone (quello desiderato), i ricercatori si sono resi conto di poter usare un semplice filtro di colore per separarli. Hanno posizionato un filtro nel percorso della luce che permetteva solo al colore naturale di passare. Quando hanno testato questo, i risultati sono stati sorprendenti. Senza il filtro, il numero di eventi indesiderati a due fotoni cresceva costantemente man mano che rendevano gli impulsi laser più lunghi. Ma con il filtro in posizione, il numero di questi errori rimaneva basso e costante, anche al variare della lunghezza dell'impulso. Il filtro bloccava efficacemente il primo fotone, spostato in colore, lasciando passare il secondo, il fotone puro.

Questa scoperta offre una soluzione pratica a un problema persistente nella tecnologia quantistica. Mentre gli scienziati costruiscono migliori punti quantici con tassi di emissione più veloci, il rischio di ri-eccitazione aumenta perché il punto decade così velocemente che è più probabile che venga colpito di nuovo dallo stesso impulso. I metodi tradizionali per fermare questo, come l'accorciamento degli impulsi laser, hanno dei limiti. Il nuovo approccio, utilizzando lo spostamento di colore naturale causato dal laser stesso, permette di ottenere sorgenti di fotoni singoli ad alta purezza che sono robuste rispetto alle variazioni della lunghezza dell'impulso. Ciò significa che per applicazioni nella crittografia e nell'informatica quantistica, dove la purezza della luce è fondamentale, il sistema può mantenere alte prestazioni senza dover costantemente regolare la temporizzazione del laser. I ricercatori hanno dimostrato che, semplicemente comprendendo e filtrando in base alla firma spettrale unica del processo di ri-eccitazione, potevano sopprimere il rumore che di solito limita queste sorgenti quantistiche, aprendo la strada a tecnologie quantistiche più affidabili e scalabili.