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

De toekomst van ultra-beveiligde communicatie en krachtige computertechnologie rust op een zeer specifieke soort licht: enkelvoudige fotonen. Dit zijn individuele lichtdeeltjes die informatie kunnen dragen zonder de ruis en interferentie die traditionele signalen teisteren. Voor deze systemen om over lange afstanden te kunnen werken, moeten de fotonen ononderscheidbaar zijn, wat betekent dat ze op elke manier identiek zijn, zoals twee munten die uit exact dezelfde mal zijn geslagen op exact hetzelfde moment. Als ze zelfs maar een klein beetje verschillen, breken de delicate kwantumeffecten die nodig zijn voor deze technologieën af. Hoewel wetenschappers manieren hebben gevonden om deze enkelvoudige fotonen te creëren, is het moeilijk gebleken om dit te doen op de golflengten die worden gebruikt voor wereldwijde telecommunicatienetwerken. De meeste bestaande bronnen werken op zichtbare lichtfrequenties, die snel worden geabsorbeerd door glasvezelkabels, waardoor ze ongeschikt zijn voor lange afstanden. Onderzoekers zoeken al naar een materiaal dat deze perfecte, identieke fotonen kan genereren op de nabij-infrarode golflengten die door het internet worden gebruikt, maar het vinden van een bron die zowel betrouwbaar als van hoge kwaliteit is, is een aanzienlijke hindernis gebleven.

Een team onderzoekers aan de Technische Universiteit van Denemarken heeft nu een nieuwe manier gedemonstreerd om deze ongrijpbare lichtdeeltjes te creëren met behode van een materiaal genaamd molybdeenditelluride. Dit materiaal is een tweedimensionaal kristal, wat betekent dat het slechts enkele atomen dik is, en het zendt van nature licht uit in het nabij-infraroodbereik, wat veel dichter bij de golflengten ligt die in de telecommunicatie worden gebruikt dan andere materialen. De uitdaging was dat hoewel dit materiaal licht kan uitzenden, de fotonen die het produceert doorgaans "rommelig" waren, met variërende kleuren en timing die ze onbruikbaar maken voor geavanceerde kwantumtaken. De onderzoekers wilden dit oplossen door een gecontroleerde omgeving te creëren waarin ze het materiaal konden dwingen om op aanvraag perfecte, identieke fotonen uit te zenden.

Om dit te bereiken, bouwde het team een gespecialiseerd podium voor hun kristallen. Ze begonnen met een spiegelend oppervlak dat ontworpen was om licht heen en weer te laten weerkaatsen, om de hoeveelheid verzamelde licht te maximalnen. Hierop plaatsten ze piepkleine, stervormige pilaren gemaakt van een hard hars. Wanneer ze een dun laagje molybdeenditelluride op deze pilaren plaatsten, boog het materiaal van nature en rimpelde het rond de scherpe punten. Deze rimpelingen creëerden gebieden met intense fysieke spanning binnen het kristal. De onderzoekers gebruikten vervolgens een gefocuste elektronenstraal om minuscule, specifieke defecten in deze gespannen gebieden te creëren. Deze combinatie van fysieke spanning en defecten op atomaire schaal fungeerde als een val, die de energie binnen het kristal opsloot in een minuscuul punt waar het een enkel foton kon vrijgeven.

De resultaten vormden een significante verbetering ten opzichte van eerdere pogingen met dit materiaal. Het team stelde vast dat deze technisch vervaardigde emittenten licht uitzonden in een zeer specifiek golflengtebereik, tussen 1090 en 1200 nanometer, wat in het nabij-infrarode deel van het spectrum ligt. Het uitgezonden licht was sterk gepolariseerd, wat betekent dat de lichtgolven in één consistente richting trilden, een teken van een goed gecontroleerde bron. Het belangrijkste is dat de fotonen zeer snel werden uitgezonden, met een levensduur van slechts 130 tot 450 picoseconden, wat een biljardste van een seconde is. Deze snelheid is cruciaal omdat het de tijd vermindert waarin het foton met zijn omgeving kan interageren en "rommelig" kan worden.

Om te bewijzen dat dit echt enkelvoudige fotonen waren en niet gewoon zwak licht, maten de onderzoekers hoe de fotonen zich gedroegen wanneer ze een detector bereikten. Ze ontdekten dat de fotonen één voor één arriveerden, met een zeer kleine kans dat er twee tegelijkertijd aankwamen. Door de manier waarop het materiaal met een laser werd geëxciteerd zorgvuldig af te stemmen, konden ze de achtergrondruis tot bijna nul reduceren, wat resulteerde in een zuiverheidsniveau waarbij de kans op een tweede foton minder dan één procent was. Ze ontdekten ook dat ze door een kleine elektrische spanning aan het apparaat toe te passen, de kleur van het uitgezonden licht met een kleine maar nuttige hoeveelheid konden verschuiven. Deze afstemmogelijkheid is essentieel om de kleuren van verschillende emittenten op elkaar af te stemmen, zodat ze samen kunnen werken in een groter netwerk.

De meest kritische test voor deze bronnen was om te zien of de fotonen ononderscheidbaar waren. De onderzoekers voerden een experiment uit waarbij twee fotonen uit de bron naar een beam splitter (straalsplitser) werden gestuurd om elkaar te ontmoeten. Als de fotonen identiek zijn, zullen ze op een specifieke manier met elkaar interfereren, waardoor ze samen in plaats van apart naar buiten komen. Het team observeerde deze interferentie, wat bevestigde dat de fotonen inderdaad ononderscheidbaar waren. Hoewel het effect niet perfect was, was het het sterkst gemeten voor dit type materiaal. Door de data te filteren om alleen naar de schoonste momenten te kijken, bereikten ze een niveau van ononderscheidbaarheid dat nog nooit eerder was bereikt met molybdeenditelluride.

Dit werk markeert een keerpunt voor het gebruik van tweedimensionale kristallen in kwantumtechnologie. Het toont aan dat door het combineren van fysieke spanning, precieze defectcreatie en elektrische controle, wetenschappers een moeilijk materiaal kunnen veranderen in een betrouwbare bron van enkelvoudige fotonen. Het vermogen om de emissie af te stemmen en een hoge zuiverheid te bereiken, suggereert dat deze bronnen uiteindelijk geïntegreerd kunnen worden in de bestaande glasvezelnetwerken die het internet voeden. Hoewel de huidige apparaten nog niet de exacte golflengten bereiken die worden gebruikt voor langeafstandstelecommunicatie, is de weg vooruit duidelijk. Door de dikte van het materiaal aan te passen en het fabricageproces te verfijnen, zouden deze emittenten binnenkort een standaardcomponent kunnen worden in de volgende generatie kwantumcommunicatiesystemen, waardoor de belofte van onhackbare netwerken en krachtige kwantumcomputers dichter bij de realiteit komt.