Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et de l'Université de Siegen ont expliqué le mécanisme de génération de photons uniques dans les diodes en diamant. Leurs découvertes, Publié dans Examen physique appliqué , offrent de nouvelles pistes pour le développement de sources de photons uniques à grande vitesse pour les réseaux de communication quantiques et les ordinateurs quantiques du futur.

Le fonctionnement au niveau du photon unique ouvre la possibilité de développer des dispositifs de communication et de calcul entièrement nouveaux, allant des générateurs de nombres aléatoires matériels aux ordinateurs quantiques. La technologie quantique la plus attendue est peut-être la communication quantique. Cryptographie quantique, qui est basé sur les lois de la physique quantique, garantit une sécurité de communication inconditionnelle. En d'autres termes, il est fondamentalement impossible d'intercepter le message transmis, quel que soit l'équipement ou la puissance de calcul dont dispose le pirate informatique. Même un ordinateur quantique puissant ne peut pas aider dans ce cas. Cependant, la mise en œuvre de lignes de communication quantiques et d'autres dispositifs quantiques repose inévitablement sur des sources de photons uniques efficaces.

C'est une nécessité pratique que les sources à photons uniques fonctionnent dans des conditions standard et soient pompées électriquement, C'est, ils doivent fonctionner à température ambiante et être alimentés par une batterie. Ces exigences cruciales ne sont pas si faciles à satisfaire. D'abord, les systèmes quantiques ne sont pas vraiment compatibles avec les températures élevées, ce qui signifie qu'ils doivent fonctionner dans un réfrigérateur ou un cryostat afin de les refroidir à la température de l'hélium liquide ou même plus froide, au-dessous de 1 kelvin, qui est égal à -272 degrés Celsius. Bien que l'utilisation de tels dispositifs soit devenue une pratique courante dans la recherche physique, un système de refroidissement de ce genre est très peu pratique, inhibant la production de masse de dispositifs quantiques. Aussi, la notion de système quantique implique l'absence d'interactions incontrôlées avec le milieu environnant. Un exemple classique d'un tel système est un seul atome dans une chambre à vide. Bien que son interaction avec l'environnement soit négligeable, les physiciens peuvent néanmoins contrôler ses états électroniques avec un laser. En éclairant la chambre avec un faisceau laser, un électron est promu d'une orbitale de basse énergie occupée à une orbitale vide de haute énergie. Après ça, l'atome se détend à l'état initial par émission de photons. Le problème est qu'un tel système ne peut pas être pompé électriquement.

Au cours des deux dernières décennies, les recherches en cours dans le domaine de l'optique et de l'électronique quantiques ont montré que même les systèmes quantiques à semi-conducteurs ne produisent pas de résultats satisfaisants sous pompage électrique à température ambiante, alors que de nombreux autres matériaux ne conduisent pas du tout l'électricité.

La solution surprenante à ce problème a déjà été trouvée dans le diamant, un matériau qui présente des propriétés à l'interface entre les semi-conducteurs et les diélectriques. Les chercheurs ont découvert que certains points du réseau cristallin du diamant peuvent fonctionner comme des systèmes quantiques avec des caractéristiques d'émission de photons exceptionnelles. De plus, ils ont découvert que ces systèmes quantiques sont capables d'émettre des photons uniques lorsqu'un courant électrique traverse le diamant. Néanmoins, la physique derrière ce phénomène est restée inconnue et il n'était pas clair comment concevoir des sources de photons uniques rapides et efficaces basées sur des centres de couleur.

Dans le nouveau journal, les chercheurs du MIPT et de l'Université de Siegen ont établi un mécanisme d'émission de photons uniques à partir de centres de manque d'azote pompés électriquement dans le diamant et déterminé les facteurs affectant la dynamique d'émission de photons. D'après leurs recherches, le processus d'émission monophotonique peut être divisé en trois étapes :(1) la capture d'électrons par un centre de couleur, (2) la capture du trou, c'est-à-dire la perte d'un électron, et (3) les transitions d'électrons ou de trous entre les niveaux d'énergie du centre de couleur. Ensemble, ces trois étages sont analogues à un revolver à tir.

Tirer une balle dans cette analogie signifie émettre un seul photon. Un électron est capturé par le défaut - pensez à cela comme à retirer le marteau d'un pistolet. Ensuite, la gâchette est tirée, qui met en mouvement le mécanisme de déclenchement, lancer le marteau contre l'amorce de la cartouche. Ce mouvement inversé du marteau correspond à la capture d'un trou par le centre de couleur. Puis l'amorce explose, allumer le propulseur, et les gaz de combustion entraînent la balle le long et hors du canon. De la même manière, le trou capturé dans le centre de couleur subit des transitions entre les états fondamental et excité, qui se traduit par l'émission d'un photon. Les cycles suivants répètent le premier cycle, à l'exception qu'il n'y a pas besoin d'une nouvelle cartouche, parce que le centre de couleur est capable d'émettre un nombre quelconque de photons un à la fois.

Une exigence importante pour une source de photons unique pratique est qu'elle doit émettre des photons à des moments prédéterminés, depuis le moment où le photon est émis, il s'envole à la vitesse de la lumière. "Dans un sens, c'est comme un duel à tirage rapide dans le Far West, " dit Dmitry Fedyanin. "Deux cow-boys dégainent leurs armes au moment où l'horloge sonne. Celui qui tire en premier est généralement le gagnant. Tout retard pourrait coûter la vie à chacun d'eux. Avec les appareils quantiques, l'histoire est à peu près la même :il est crucial de générer un photon précisément au moment où nous en avons besoin. » Dans leur article, les chercheurs montrent ce qui détermine le temps de réponse d'une source monophotonique, C'est, le délai avant que la source n'émette un photon. Ils ont également évalué la probabilité d'émettre un nouveau photon au temps τ après l'émission du premier photon. Comme il s'avère, le temps de réponse peut être ajusté et amélioré de plusieurs ordres de grandeur en modifiant les caractéristiques du diamant par dopage ou en contrôlant les densités d'électrons et de trous injectés dans le diamant. En dehors de cette, Fedyanine dit, l'état initial du centre de couleur peut être contrôlé en faisant varier sa position dans la diode diamant. Ceci est similaire à la façon dont un flingueur pourrait armer le revolver pour un tir plus rapide ou mettre le pistolet à moitié armé.

Le modèle physique avancé par les chercheurs met en lumière le comportement des centres de couleur dans le diamant. En plus de fournir une interprétation qualitative, l'approche théorique proposée reproduit des résultats expérimentaux récents. Cela ouvre une nouvelle possibilité pour la conception et le développement de sources de photons uniques pratiques avec les caractéristiques souhaitées, qui sont indispensables à la réalisation de dispositifs d'information quantique, telles que des lignes de communication sécurisées inconditionnellement basées sur la cryptographie quantique.