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

Per costruire un futuro in cui i computer comunichino utilizzando la luce invece dell'elettricità, gli scienziati hanno bisogno di un modo affidabile per generare singoli particelle di luce, note come fotoni, una alla volta. Questi minuscoli pacchetti di energia sono le unità fondamentali per un nuovo tipo di tecnologia chiamata elaborazione dell'informazione quantistica, che promette di risolvere problemi che sono attualmente impossibili per i computer standard. Tuttavia, creare un flusso costante di questi singoli fotoni è difficile. Le fonti più promettenti sono piccoli atomi artificiali fatti di materiali semiconduttori, chiamati punti quantici. Sebbene questi punti possano emettere la luce richiesta, sono spesso dispersi casualmente su una superficie e catturare la loro luce in modo efficiente è un grande ostacolo. Inoltre, affinché questi sistemi funzionino nelle reti reali in fibra ottica, la luce deve essere di un colore specifico, noto come banda C telecom, che viaggia attraverso i cavi di vetro con una perdita minima. La sfida consiste nel creare un sistema che non solo produca questi fotoni di alta qualità, ma che permetta anche agli scienziati di trovare e mirare a specifici punti quantici prima di costruire dispositivi complessi attorno ad essi, il tutto senza degradare le delicate proprietà della luce stessa.

Ricercatori in Polonia hanno ora dimostrato un nuovo approccio che affronta questi problemi facendo crescere una pila specializzata di materiali su un singolo wafer di cristallo. Hanno creato una piattaforma utilizzando punti quantici a bassa densità fatti di arseniuro di indio e fosfuro di indio, posizionati sopra una struttura a specchio chiamata riflettore di Bragg distribuito. Questo specchio non è un semplice foglio di metallo, ma è composto da strati alternati di diversi materiali semiconduttori, progettati per riflettere la luce di un intervallo specifico di colori verso l'alto. L'obiettivo era creare un sistema che agisse come un estrattore di luce a banda larga, aumentando la quantità di luce che sfugge dai punti quantici nell'aria sovrastante, rendendoli più facili da vedere e studiare. Progettando attentamente lo spessore degli strati tra i punti e lo specchio, il team ha simulato che questa struttura potesse catturare più del dieci per cento della luce emessa entro un intervallo di colori di quaranta nanometri, un miglioramento significativo rispetto alle configurazioni standard dove la maggior parte della luce viene persa o intrappolata all'interno del materiale.

Il team ha fatto crescere l'intera struttura in un unico processo continuo utilizzando una tecnica chiamata epitassia fase vapore organometallica, che consente un controllo preciso degli strati atomici. Hanno prima calibrato i tassi di crescita per garantire che gli strati avessero lo spessore corretto per formare uno specchio efficace per la banda C telecom. La pila di specchi risultante era spessa circa 4,8 micrometri e terminava con uno strato spaziatore che posizionava i punti quantici all'altezza ottimale per beneficiare della riflessione dello specchio. Per verificare la qualità della loro crescita, hanno esaminato la superficie con microscopia a forza atomica e hanno scoperto che i punti quantici erano radi, con una densità di circa 130 milioni di punti per centimetro quadrato. Questi punti erano straordinariamente uniformi in dimensioni e forma, somigliando a piccole piramidi dalla sommità piatta con una base quadrata, il che è un tratto desiderabile per produrre una luce costante. I ricercatori hanno anche confermato che la struttura dello specchio funzionava come previsto misurando la sua riflettività, che raggiungeva quasi il 9% alla lunghezza d'onda target, creando una finestra ampia in cui la luce poteva uscire efficientemente.

Con la struttura pronta, i ricercatori si sono dedicati al compito critico di trovare singoli punti quantici da utilizzare come sorgenti. Poiché lo specchio aumentava l'output luminoso, sono stati in grado di utilizzare una telecamera a campo largo per scattare foto del campione mentre veniva raffreddato a temperature estremamente basse. Filtrando la luce per guardare solo i colori specifici emessi dai punti, potevano isolare i singoli emettitori dal rumore di fondo. L'aumento della luminosità ha permesso loro di individuare l'esatta posizione di un singolo punto con una precisione statistica di circa 2,5 nanometri. Questo livello di accuratezza è cruciale perché significa che gli scienziati possono mappare la posizione di un punto specifico con abbastanza dettaglio da poter successivamente costruire un dispositivo personalizzato, come una minuscola cavità o una lente, direttamente sopra di esso. Questa capacità trasforma il processo da una ricerca casuale in un flusso di lavoro deterministico, dove specifici emettitori di alta qualità possono essere selezionati e integrati in circuiti complessi.

Una volta identificato un singolo punto, il team ha studiato la qualità dei fotoni emessi. Si sono concentrati su un tipo specifico di emissione da un eccitone carico, uno stato in cui un elettrone e una lacuna sono legati insieme con una carica extra, che emetteva luce a una lunghezza d'onda di 1549,5 nanometri. Utilizzando un laser a impulsi per eccitare il punto, hanno misurato quanto spesso il punto emetteva due fotoni contemporaneamente, un segno di impurità. Hanno scoperto che il punto emetteva singoli fotoni con una purezza di circa il 94,7%, il che significa che raramente commetteva l'errore di inviare due fotoni insieme. Ancora più importante, hanno testato se i fotoni fossero identici tra loro, una proprietà nota come indistinguibilità, essenziale per l'interferenza quantistica. Inviando coppie di fotoni dal punto in un interferometro speciale, hanno osservato che i fotoli interferivano tra loro con una visibilità del 51% entro una finestra di due nanosecondi. Questa visibilità scendeva al 41% quando misurata su una finestra più lunga di quattro nanosecondi, ma questi risultati sono stati ottenuti senza utilizzare alcuna struttura aggiuntiva per accelerare artificialmente il processo di emissione, che è spesso richiesto per ottenere una tale coerenza.

La significatività di questo lavoro risiede nel fatto che i ricercatori hanno ottenuto questi risultati utilizzando una struttura planare semplice e non lavorata. In molti esperimenti precedenti, alti livelli di indistinguibilità dei fotoni venivano osservati solo dopo l'inserimento dei punti quantici in cavità risonanti complesse che ne aumentavano il tasso di emissione. Qui, il team ha dimostrato che la qualità intrinseca della luce dei punti quantici era già sufficientemente alta da produrre forti effetti di interferenza semplicemente posizionandoli su uno specchio a banda larga. Ciò suggerisce che il sistema di materiali è robusto e che i fotoni mantengono le loro proprietà quantistiche anche prima che avvenga qualsiasi fabbricazione finale del dispositivo. La combinazione di estrazione luminosa efficiente, localizzazione precisa dell'emettitore e alta coerenza dei fotoni in una singola piattaforma monolitica fornisce una solida base per costruire futuri dispositivi quantistici. Dimostra che, ingegnerizzando attentamente la crescita dei materiali e dello specchio sottostante, è possibile creare un punto di partenza per la tecnologia quantistica che sia sia scalabile che capace di fornire la luce di alta qualità richiesta per applicazioni avanzate nella comunicazione sicura e nel calcolo quantistico.