Asymmetric two-photon response of an incoherently driven quantum emitter

In de zoektocht naar het bouwen van een kwantuminternet of een kwantumcomputer, vertrouwen wetenschappers op een zeer specifieke soort licht: een stroom van individuele deeltjes die fotonen worden genoemd, die één voor één worden verzonden. Voor deze machines moet de lichtbron ongelooflijk precies zijn, waarbij exact één foton tegelijkertijd wordt uitgezonden met bijna perfecte betrouwbaarheid. Als een bron per ongeluk twee fotonen samen verzendt, kunnen de delicate berekeningen van een kwantumcomputer falen, of de beveiliging van een kwantumbericht kan worden doorbroken. De meest veelbelovende instrumenten voor het creëren van deze perfecte stroom zijn kwantumdots, minuscule, kunstmatige atomen gemaakt van halfgeleidermaterialen. Wanneer ze worden geraakt door een laserpuls, horen deze dots de energie te absorberen en onmiddellijk een enkel foton vrij te geven. Echter, de natuur is zelden zo eenvoudig. Zelfs in een perfecte opstelling is de laserpuls lang genoeg dat de dot de energie kan absorberen, een foton kan vrijgeven, en vervolgens opnieuw geëxciteerd kan worden door dezelfde puls voordat deze is afgerond. Deze "re-excitatie" resulteert in een tweede foton dat wordt uitgezonden, wat de zuiverheid van de enkelvoudige-fotonstroom ruïneert.

Jarenlang hebben onderzoekers dit probleem bestudeerd met een methode genaamd resonante aansturing, waarbij de laser exact wordt afgestemd op de natuurlijke frequentie van de dot. Maar een andere, robuustere benadering is opgekomen: het gebruik van een laser die net niet op de juiste frequentie staat en het vertrouwen op trillingen binnen het materiaal, bekend als fononen, om de dot te helpen de energie te absorberen. Deze fonon-geassisteerde methode wordt geprezen omdat deze minder gevoelig is voor imperfecties in de laser en het gemakkelijker maakt om het overtollige laserlicht te filteren. Toch wist tot nu toe niemand precies hoe het re-excitatieprobleem zich onder deze specifieke omstandigheden gedroeg. Een team van natuurkundigen heeft dit proces nu in detail in kaart gebracht, waarbij zij onthulden dat de twee fotonen die door een enkele puls worden geproduceerd, niet alleen identieke tweelingen zijn; ze zijn fundamenteel verschillend in hun timing en kleur. Door deze verschillen te begrijpen, hebben de onderzoekers een manier gevonden om het ongewenste tweede foton eruit te filteren, waardoor een zuivere stroom van enkelvoudige fotonen wordt gegarandeerd, ongeacht hoe lang de laserpuls duurt.

Het verhaal begint bij een kwantumdot, een korreltje halfgeleidermateriaal dat zo klein is dat het elektronen op een manier gevangen houdt die een enkel atoom nabootst. In dit experiment gebruikten de onderzoekers een dot gemaakt van indiumgalliumarsenide, ingebed in een structuur die de dot helpt om licht efficiënt uit te zenden. Ze raakten deze dot met een korte, blauw-gedetuneerde laserpuls. "Blauw-gedetuneerd" betekent simpelweg dat de kleur van de laser iets hoger in energie was dan de natuurlijke voorkeur van de dot. Om dit gat te overbruggen, moest de dot energie lenen van de trillingen van zijn eigen kristalrooster — de fononen. Deze interactie stelde de dot in staat om naar een geëxciteerde staat te springen. Het proces is als een tweetapsdans waarbij de dot eerst een foton en een trilling grijpt, en zich vervolgens weer zet om een foton vrij te geven.

De onderzoekers waren geïnteresseerd in wat er gebeurt wanneer de laserpuls lang genoeg is zodat de dot geëxciteerd kan worden, een foton kan vrijgeven, en vervolgens opnieuw geëxciteerd kan worden voordat de laserpuls eindigt. Dit is het re-excitatie-event. Met een geavanceerde opstelling die de exacte tijd en kleur van elk foton kon registreren, volgden zij deze zeldzame dubbele emissie-events. Zij ontdekten dat de twee fotonen die in een enkel re-excitatie-event worden geproduceerd, niet op hetzelfde moment of met dezelfde eigenschappen worden uitgezonden. Het eerste foton wordt uitgezonden terwijl de laserpuls nog steeds met de dot interageert. Omdat de laser nog aanwezig is, verandert het de energieniveaus van de dot in real-time, een fenomeen dat bekend staat als het dynamische Stark-effect. Dit zorgt ervoor dat het eerste foton met een iets andere kleur, of frequentie, wordt uitgezonden dan de natuurlijke emissie van de dot. Het wordt ook zeer snel uitgezonden, waarbij het nauw de vorm van de laserpuls zelf volgt.

Het tweede foton vertelt echter een ander verhaal. Het wordt pas uitgezonden nadat de laserpuls volledig is gepasseerd en de dot is teruggekeerd naar zijn natuurlijke staat. Bijgevolg heeft dit tweede foton de natuurlijke kleur van de dot en wordt het over een langere periode uitgezonden, waarbij het de natuurlijke vervaltijd van de geëxciteerde staat volgt. De onderzoekers maten deze verschillen met hoge precisie. Ze observeerden dat de kleurverschuiving van het eerste foton afhing van de sterkte van de laser. Door deze verschuiving te meten, konden zij de sterkte van de interactie tussen de laser en de dot berekenen, een waarde die bekend staat als de Rabi-frequentie, zonder dat daarvoor de complexe coherente interacties nodig waren die gewoonlijk voor dergelijke metingen vereist zijn. Dit bood een direct venster naar de fysica van het incoherente aansturingsproces.

De meest significante bevinding was echter niet alleen het observeren van deze verschillen, maar het gebruiken ervan. Omdat het eerste foton (het ongewenste foton) een andere kleur heeft dan het tweede foton (het gewenste foton), realiseerden de onderzoekers zich dat ze een eenvoudige kleurfilter konden gebruiken om ze van elkaar te scheiden. Ze plaatsten een filter in het pad van het licht die alleen de natuurlijke kleur doorliet. Toen ze dit testten, waren de resultaten opmerkelijk. Zonder de filter groeide het aantal ongewenste twee-foton-events gestaag naarmate ze de laserpulsen langer maakten. Maar met de filter in plaats, bleef het aantal van deze fouten laag en constant, zelfs wanneer de pulslengte veranderde. De filter blokkeerde effectief het eerste, verschoven foton, terwijl het tweede, zuivere foton doorliet.

Deze ontdekking biedt een praktische oplossing voor een hardnekkig probleem in de kwantumtechnologie. Naarmate wetenschappers betere kwantumdots bouwen met snellere emissiesnelheden, neemt het risico op re-excitatie toe omdat de dot zo snel vervalt dat het waarschijnlijker is dat het opnieuw door dezelfde puls wordt geraakt. Traditionele methoden om dit te stoppen, zoals het verkorten van de laserpulsen, kennen grenzen. De nieuwe benadering, waarbij gebruik wordt gemaakt van de natuurlijke kleurverschuiving veroorzaakt door de laser zelf, maakt hoogzuivere enkelvoudige-fotonbronnen mogelijk die robuust zijn tegen variaties in de pulslengte. Dit betekent dat voor toepassingen in kwantumcryptografie en kwantumcomputing, waar de zuiverheid van het licht van cruciaal belang is, het systeem een hoge prestatie kan behouden zonder dat de laser timing constant aangepast hoeft te worden. De onderzoekers hebben aangetoond dat door simpelweg de unieke spectrale signatuur van het re-excitatieproces te begrijpen en te filteren, zij de ruis die deze kwantumbronnen gewoonlijk beperkt, konden onderdrukken, wat de weg vrijmaakt voor meer betrouwbare en schaalbare kwantumtechnologieën.