Toward triggered generation of indistinguishable single-photons from MoTe quantum emitters
Este artigo demonstra uma abordagem reprodutível para gerar fótons únicos altamente indistinguíveis na banda de telecomunicações a partir de emissores de MoTe bicamada via engenharia determinística de deformação e defeitos, alcançando uma indistinguibilidade de estado da arte para TMDs com uma visibilidade de Hong-Ou-Mandel de até 60% sob pós-seleção.
Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo
O futuro da comunicação ultra-segura e da computação poderosa depende de um tipo muito específico de luz: fótons únicos. Estes são partículas individuais de luz que podem carregar informação sem o ruído e a interferência que assolam os sinais tradicionais. Para que estes sistemas funcionem a longas distâncias, os fótons devem ser indistinguíveis, o que significa que são idênticos em todos os aspetos, como duas moedas cunhadas do mesmo molde no exato mesmo momento. Se diferirem mesmo que ligeiramente, os delicados efeitos quânticos necessários para estas tecnologias entram em colapso. Embora os cientistas tenham encontrado formas de criar estes fótons únicos, fazê-lo nos comprimentos de onda utilizados pelas redes de telecomunicações globais tem sido difícil. A maioria das fontes existentes opera em frequências de luz visível, que são absorvidas rapidamente pelos cabos de fibra ótica, tornando-as inadequadas para viagens de longa distância. Os investigadores têm procurado um material que possa gerar estes fótons perfeitos e idênticos nos comprimentos de onda de infravermelho próximo usados pela internet, mas encontrar uma fonte que seja simultaneamente fiável e de alta qualidade tem sido um obstáculo significativo.
Uma equipa de investigadores da Universidade Técnica da Dinamarca demonstrou agora uma nova forma de criar estas partículas de luz elusivas utilizando um material chamado ditelure de molibdénio. Este material é um cristal bidimensional, o que significa que tem apenas alguns átomos de espessura, e emite naturalmente luz na gama do infravermelho próximo, que está muito mais próxima dos comprimentos de onda usados nas telecomunicações do que outros materiais. O desafio tem sido que, embora este material possa emitir luz, os fótons que produz são tipicamente desordenados, com cores e tempos variáveis que os tornam impossíveis de usar para tarefas quânticas avançadas. Os investigadores propuseram-se resolver isto criando um ambiente controlado onde pudessem forçar o material a emitir fótons perfeitos e idênticos sob demanda.
Para alcançar isto, a equipa construiu um palco especializado para os seus cristais. Começaram com uma superfície semelhante a um espelho desenhada para refletir a luz para trás e para a frente, maximizando a quantidade de luz que poderia ser recolhida. Sobre isto, colocaram minúsculos pilares em forma de estrela feitos de uma resina dura. Quando transferiram uma fina lâmina de ditelure de molibdénio para estes pilares, o material dobrou-se e amarrotou naturalmente em torno dos pontos afiados. Estas rugas criaram áreas de intensa tensão física dentro do cristal. Os investigadores utilizaram então um feixe focado de eletrões para criar defeitos minúsculos e específicos nestas áreas de tensão. Esta combinação de tensão física e dano à escala atómica atuou como uma armadilha, confinando a energia dentro do cristal num ponto minúsculo onde ela poderia libertar um único fóton.
Os resultados representaram uma melhoria significativa em relação às tentativas anteriores com este material. A equipa descobriu que estes emissores engenheirados produziam luz numa gama de comprimentos de onda muito específica, entre 1090 e 1200 nanómetros, que se encontra na parte do infravermelho próximo do espetro. A luz emitida era altamente polarizada, o que significa que as ondas de luz vibravam numa direção única e consistente, um sinal de uma fonte bem controlada. Mais importante ainda, os fótons eram emitidos muito rapidamente, com um tempo de vida de apenas 130 a 450 picosegundos, o que é um trilionésimo de segundo. Esta velocidade é crucial porque reduz o tempo que o fóton tem para interagir com o seu ambiente e se tornar "desordenado".
Para provar que estes eram verdadeiramente fótons únicos e não apenas uma luz ténue, os investigadores mediram como os fótons se comportavam quando chegavam a um detetor. Descobriram que os fótons chegavam um a um, com uma probabilidade muito baixa de dois chegarem ao mesmo tempo. Ao ajustar cuidadosamente a forma como excitavam o material com um laser, conseguiram reduzir o ruído de fundo para quase nada, resultando num nível de pureza onde a probabilidade de um segundo fóton aparecer era inferior a um por cento. Também descobriram que, ao aplicar uma pequena voltagem elétrica ao dispositivo, podiam deslocar a cor da luz emitida numa quantidade pequena, mas útil. Esta capacidade de sintonização é essencial para combinar as cores de diferentes emissores para que possam trabalhar juntos numa rede maior.
O teste mais crítico para estas fontes foi verificar se os fótons eram indistinguíveis. Os investigadores configuraram um experimento onde dois fótons da fonte foram enviados para se encontrarem num divisor de feixe (beam splitter). Se os fótons forem idênticos, irão interferir entre si de uma forma específica, fazendo com que saiam juntos em vez de separadamente. A equipa observou esta interferência, confirmando que os fótons eram, de facto, indistinguíveis. Embora o efeito não fosse perfeito, foi o mais forte alguma vez medido para este tipo de material. Ao filtrar os dados para observar apenas os momentos mais limpos, atingiram um nível de indistinguibilidade que nunca tinha sido alcançado anteriormente com o ditelure de molibdénio.
Este trabalho marca um ponto de viragem para o uso de cristais bidimensionais na tecnologia quântica. Demonstra que, ao combinar tensão física, criação precisa de defeitos e controlo elétrico, os cientistas podem transformar um material difícil numa fonte fiável de fótons únicos. A capacidade de sintonizar a emissão e alcançar alta pureza sugere que estas fontes poderão eventualmente ser integradas nas redes de fibra ótica existentes que alimentam a internet. Embora os dispositivos atuais ainda não alcancem os comprimentos de onda exatos usados para telecomunicações de longa distância, o caminho a seguir está claro. Ao ajustar a espessura do material e refinar o processo de fabricação, estes emissores poderão em breve tornar-se um componente padrão nos próximos sistemas de comunicação quântica, aproximando a promessa de redes impossíveis de hackear e computadores quânticos poderosos da realidade.
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