Pour se rapprocher de la technologie quantique, nous devons développer des sources lumineuses non classiques qui peuvent émettre un seul photon à la fois et le faire à la demande. Des scientifiques de l’EPFL ont maintenant conçu l’un de ces « émetteurs de photons uniques » qui peut fonctionner à température ambiante et qui est basé sur des points quantiques développés sur des substrats de silicium économiques.
Développer des sources lumineuses non classiques capables d’émettre, à la demande, exactement un photon à la fois est l’une des principales exigences des technologies quantiques. Mais bien que la première démonstration d’un tel « émetteur à photon unique », ou SPE, remonte aux années 1970, leur faible fiabilité et efficacité ont empêché toute utilisation pratique significative.
Les sources lumineuses conventionnelles telles que les ampoules à incandescence ou les LED émettent des paquets de photons à la fois. En d’autres termes, leur probabilité d’émettre un seul photon à la fois est très faible. Les sources laser peuvent émettre des flux de photons uniques, mais pas à la demande, ce qui signifie que, parfois, aucun photon n’est émis lorsque nous le souhaitons.
Ainsi, le principal avantage des SPE est qu’ils peuvent faire les deux : émettre un seul photon et le faire à la demande ou, en termes plus techniques, leur pureté de photon unique, qu’ils peuvent maintenir dans un délai ultra-rapide. Ainsi, pour qu’une source lumineuse soit qualifiée de SPE, elle doit présenter une pureté de photon unique supérieure à 50 % ; bien entendu, plus on se rapproche de 100 %, plus on se rapproche d’un SPE idéal.
Des chercheurs de l’EPFL, dirigés par le professeur Nicolas Grandjean, ont maintenant développé des SPE « brillants et purs » basés sur des boîtes quantiques semi-conductrices à large bande interdite développées sur des substrats de silicium économiques.
Les points quantiques sont constitués de nitrure de gallium et de nitrure d’aluminium (GaN/AlN) et présentent une pureté de photon unique de 95 % à des températures cryogéniques, tout en conservant une excellente résilience à des températures plus élevées, avec une pureté de 83 % à température ambiante.
Le SPE affiche également des taux d’émission de photons jusqu’à 1 MHz tout en maintenant une pureté de photon unique supérieure à 50 %. « Une telle luminosité jusqu’à la température ambiante est possible en raison des propriétés électroniques uniques des points quantiques GaN/AlN, qui préservent la pureté du photon unique en raison du chevauchement spectral limité avec l’excitation électronique concurrente voisine », déclare Stachurski, le Ph.D. . étudiant qui a étudié ces systèmes quantiques.
« Une caractéristique très intéressante des boîtes quantiques GaN/AlN est qu’elles appartiennent à la famille des semi-conducteurs au nitrure III, à savoir celle à l’origine de la révolution de l’éclairage à l’état solide (LED bleues et blanches) dont l’importance a été reconnue par le prix Nobel de physique en 2014. « , précisent les chercheurs. « C’est aujourd’hui la deuxième famille de semi-conducteurs en termes de marché grand public juste après le silicium qui domine l’industrie de la microélectronique. A ce titre, les nitrures III bénéficient d’une plate-forme technologique solide et mature, ce qui les rend d’un intérêt potentiel élevé pour le développement d’applications quantiques. . »
Une étape future importante sera de voir si cette plateforme peut émettre un photon et un seul par impulsion laser, ce qui est un préalable indispensable pour déterminer son efficacité.
« Comme nos excitations électroniques présentent des durées de vie à température ambiante aussi courtes que 2 à 3 milliardièmes de seconde, des taux de photons uniques de plusieurs dizaines de MHz pourraient être à portée de main », déclarent les auteurs. « Combinée à une excitation laser résonnante, connue pour améliorer considérablement la pureté des photons uniques, notre plate-forme de points quantiques pourrait être intéressante pour mettre en œuvre une distribution de clé quantique à température ambiante basée sur un véritable SPE, par opposition aux systèmes commerciaux actuels qui fonctionnent avec sources laser atténuées. »
La recherche a été publiée dans Lumière : science et applications.
Johann Stachurski et al, Dynamique d’émission et de recombinaison de photons uniques dans des points quantiques GaN / AlN auto-assemblés, Lumière : science et applications (2022). DOI : 10.1038/s41377-022-00799-4