Pour vraiment décoller, le traitement avancé de l'information quantique nécessitera une meilleure compréhension (expérimentale) d'un phénomène essentiel appelé "photons indiscernables". Un degré élevé d'« indiscernabilité » nécessite un chevauchement presque complet des paquets d'ondes, ou la correspondance parfaite des photons, d'énergie, espacer, temps et polarisation.

Alors que de nombreux types d'émetteurs à photons uniques tels que les points quantiques semi-conducteurs ont déjà démontré la génération de photons indiscernables, un groupe de chercheurs de l'Université de Tsukuba et de l'Institut national japonais des sciences des matériaux a cherché à utiliser un centre d'impuretés azotées trouvé dans les semi-conducteurs composés III-V comme nouvelle source de photons uniques. Ils rapportent leurs résultats cette semaine dans le journal Lettres de physique appliquée .

Centres de luminescence d'azote dans les semi-conducteurs composés III-V, composé d'éléments des colonnes III et IV du tableau périodique tels que GaAs, montrent un spectre d'émission pointu correspondant à un état d'énergie connu sous le nom de "piège isoélectronique". La génération de photons uniques à partir de ces pièges isoélectroniques est hautement souhaitable en raison de l'homogénéité qu'elle procure, émettant des photons de plusieurs centres avec la même énergie.

"Nos études ont confirmé que les pièges isoélectroniques ont en effet un temps de cohérence long, qui est une des conditions nécessaires pour créer un photon indiscernable, " a déclaré Michio Ikezawa, professeur agrégé aux Sciences Pures et Appliquées, Université de Tsukuba.

Pour l'étude, le groupe a d'abord évalué l'impossibilité de distinguer les photons émis par un centre de luminescence dans GaAs dopé delta à l'azote par interférence à deux photons. Ils ont également étudié sa dépendance temporelle, qui a révélé des informations importantes sur l'échelle de temps de la décohérence (en d'autres termes, lorsque le système quantique se brouille et affiche un comportement d'état classique) qui peut être difficile à obtenir via d'autres méthodes.

Pour ce travail, le "centre d'émission" qui agit comme un piège isoélectronique est formé par l'impureté au sein de GaAs où l'azote a remplacé l'arsenic. "Lorsque l'échantillon est photoexcité, chaque piège peut capturer une paire électron-trou et émettre un seul photon par une recombinaison radiative de ceux-ci, " a déclaré Ikezawa.

Ces impuretés azotées sont ensuite "dopées au sein d'une très fine couche bidimensionnelle par la technique dite de dopage delta lors de la croissance du dépôt chimique organométallique en phase vapeur, " dit Ikezawa. " En utilisant cette technique, un seul centre de luminescence peut être sélectionné avec un microscope optique conventionnel."

La mesure de l'indiscernabilité a offert un aperçu surprenant. "L'indiscernabilité était de 0,24, qui était indépendant de l'intervalle de temps compris entre 2 et 4 nanosecondes, " a déclaré Ikezawa. " C'était quelque peu surprenant par rapport aux études précédentes sur les points quantiques, et nous avons conclu qu'il existe un mécanisme de déphasage très rapide en 2 nanosecondes dans notre échantillon."

Les résultats du groupe sont importants non seulement parce qu'ils sont la première démonstration de la mesure de l'interférence à deux photons de photons indiscernables créés par les centres d'impuretés dans les semi-conducteurs III-IV, mais aussi parce qu'ils explorent les similitudes et les différences avec les points quantiques typiques pour les mécanismes de décohérence.

En ce qui concerne les candidatures, "Les photons indiscernables sont très importants pour les technologies de l'information quantique telles que la téléportation quantique et le calcul quantique optique linéaire, ", a déclaré Ikezawa. "Notre objectif est de pouvoir fournir de nombreuses sources de photons qui génèrent des photons indiscernables sous une forme intégrée dans une puce semi-conductrice."

Alors que les points quantiques semi-conducteurs ont été intensivement étudiés avec des objectifs similaires, "il est difficile en principe de faire en sorte que l'énergie des photons obtenus à partir de nombreux points quantiques soit la même afin qu'ils soient indiscernables les uns des autres, " a déclaré Ikezawa. " L'indiscernabilité obtenue cette fois n'était pas assez élevée. On pense qu'il est causé par le mécanisme de relaxation à grande vitesse que nous avons signalé, donc une tâche future sera de clarifier le mécanisme et de trouver une méthode pour le supprimer."