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

Il futuro della comunicazione ultra-sicura e dell'informatica potente dipende da un tipo molto specifico di luce: i singoli fotoni. Questi sono particelle individuali di luce che possono trasportare informazioni senza il rumore e l'interferenza che affliggono i segnali tradizionali. Affinché questi sistemi possano funzionare su lunghe distanze, i fotoni devono essere indistinguibili, ovvero identici in ogni modo, come due monete coniate dallo stesso stampo esattamente nello stesso momento. Se differiscono anche solo leggermente, gli delicati effetti quantistici necessari per queste tecnologie si interrompono. Sebbene gli scienziati abbiano trovato modi per creare questi singoli fotoni, farlo alle lunghezze d'onda utilizzate dalle reti di telecomunicazioni globali si è rivelato difficile. La maggior parte delle sorgenti esistenti opera a frequenze di luce visibile, che vengono assorbite rapidamente dai cavi in fibra ottica, rendendole inadatte al viaggio a lungo raggio. I ricercatori hanno cercato un materiale in grado di generare questi fotoni perfetti e identici alle lunghezze d'onda del vicino infrarosso utilizzate da internet, ma trovare una sorgente che fosse allo stesso tempo affidabile e di alta qualità è rimasto un ostacolo significativo.

Un team di ricercatori della Technical University of Denmark ha ora dimostrato un nuovo modo per creare queste elusive particelle di luce utilizzando un materiale chiamato ditelluro di molibdeno. Questo materiale è un cristallo bidimensionale, il che significa che è spesso solo pochi atomi, e emette naturalmente luce nell'intervallo del vicino infrarosso, che è molto più vicino alle lunghezze d'onda utilizzate nelle telecomunicazioni rispetto ad altri materiali. La sfida è stata che, sebbene questo materiale possa emettere luce, i fotoni che produce sono stati tipicamente disordinati, con colori e tempistiche variabili che li rendono impossibili da usare per compiti quantistici avanzati. I ricercatori hanno cercato di risolvere il problema creando un ambiente controllato in cui potessero costringere il materiale a emettere fotoni perfetti e identici su richiesta.

Per raggiungere questo obiettivo, il team ha costruito un palcoscenico specializzato per i loro cristalli. Hanno iniziato con una superficie simile a uno specchio progettata per far rimbalzare la luce avanti e indietro, massimizzando la quantità di luce che poteva essere raccolta. Sopra di essa, hanno posizionato minuscoli pilastri a forma di stella realizzati in una resina dura. Quando hanno trasferito una sottile scaglia di ditelluro di molibdeno su questi pilastri, il materiale si è naturalmente piegato e increspato attorno ai punti acuti. Queste increspature hanno creato aree di intensa tensione fisica all'interno del cristallo. I ricercatori hanno poi utilizzato un fascio focalizzato di elettroni per creare piccoli difetti specifici in queste aree di stress. Questa combinazione di stress fisico e danno su scala atomica ha agito come una trappola, confinando l'energia all'interno del cristallo in un punto minuscolo dove poteva rilasciare un singolo fotone.

I risultati sono stati un significativo miglioramento rispetto ai tentativi precedenti con questo materiale. Il team ha scoperto che questi emettitori ingegnerizzati producevano luce in un intervallo di lunghezze d'onda molto specifico, tra 1090 e 1200 nanometri, che si trova nella parte del vicino infrarosso dello spettro. La luce emessa era altamente polarizzata, il che significa che le onde di luce vibravano in una direzione singola e coerente, segno di una sorgente ben controllata. Cosa più importante, i fotoni venivano emessi molto rapidamente, con una durata di soli 130-450 picosecondi, ovvero un millionesimo di miliardesimo di secondo. Questa velocità è cruciale perché riduce il tempo in cui il fotone può interagire con il suo ambiente e diventare "disordinato".

Per dimostrare che si trattava davvero di singoli fotoni e non solo di luce fioca, i ricercatori hanno misurato come i fotoni si comportavano quando arrivavano a un rilevatore. Hanno scoperto che i fotoni arrivavano uno alla volta, con una probabilità molto bassa che due arrivassero contemporaneamente. Regolando attentamente il modo in cui eccitavano il materiale con un laser, sono riusciti a ridurre il rumore di fondo quasi a zero, ottenendo un livello di purezza in cui la probabilità che apparisse un secondo fotone era inferiore all'uno percento. Hanno anche scoperto che applicando una piccola tensione elettrica al dispositivo, potevano spostare il colore della luce emessa di una quantità piccola ma utile. Questa capacità di sintonizzazione è essenziale per far corrispondere i colori di diversi emettitori in modo che possano lavorare insieme in una rete più grande.

Il test più critico per queste sorgenti è stato vedere se i fotoni fossero indistinguibili. I ricercatori hanno allestito un esperimento in cui due fotoni provenienti dalla sorgente venivano inviati a incontrarsi in un divisore di fascio (beam splitter). Se i fotoni sono identici, interferiranno tra loro in un modo specifico, facendo sì che escano insieme anziché separatamente. Il team ha osservato questa interferenza, confermando che i fotoni erano effettivamente indistinguibili. Sebbene l'effetto non fosse perfetto, era il più forte mai misurato per questo tipo di materiale. Filtrando i dati per osservare solo i momenti più puliti, hanno raggiunto un livello di indistinguibilità che non era mai stato raggiunto prima con il ditelluro di molibdeno.

Questo lavoro segna un punto di svolta per l'uso dei cristalli bidimensionali nella tecnologia quantistica. Dimostra che combinando lo sforzo fisico, la creazione precisa di difetti e il controllo elettrico, gli scienziati possono trasformare un materiale difficile in una fonte affidabile di singoli fotoni. La capacità di sintonizzare l'emissione e ottenere un'alta purezza suggerisce che queste sorgenti potrebbero eventualmente essere integrate nelle reti in fibra ottica esistenti che alimentano internet. Sebbene gli attuali dispositivi non raggiungano ancora le esatte lunghezze d'onda utilizzate per le telecomunicazioni a lunga distanza, la strada da seguire è chiara. Regolando lo spessore del materiale e perfezionando il processo di fabbricazione, questi emettitori potrebbero presto diventare un componente standard nei prossimi sistemi di comunicazione quantistica, portando più vicina la promessa di reti inattaccabili e potenti computer quantistici.