Dans la quête mondiale de développement de dispositifs informatiques et de communication pratiques basés sur les principes de la physique quantique, un composant potentiellement utile s'est avéré insaisissable :une source de particules individuelles de lumière avec une constante, prévisible, et des caractéristiques stables. Maintenant, des chercheurs du MIT et en Suisse affirment avoir fait des pas importants vers une telle source de photons unique.

L'étude, qui consiste à utiliser une famille de matériaux appelés pérovskites pour fabriquer des particules électroluminescentes appelées points quantiques, paraît aujourd'hui dans la revue Science . L'article est de l'étudiant diplômé du MIT en chimie Hendrik Utzat, professeur de chimie Moungi Bawendi, et neuf autres au MIT et à l'ETH à Zurich, La Suisse.

La capacité à produire des photons individuels aux propriétés précisément connues et persistantes, comprenant une longueur d'onde, ou couleur, qui ne fluctue pas du tout, pourrait être utile pour de nombreux types de dispositifs quantiques proposés. Parce que chaque photon serait indiscernable des autres en termes de propriétés de mécanique quantique, il peut être possible, par exemple, retarder l'un d'eux et ensuite faire interagir le couple, dans un phénomène appelé interférence.

"Cette interférence quantique entre différents photons uniques indiscernables est la base de nombreuses technologies de l'information quantique optique utilisant des photons uniques comme supports d'information, " explique Utzat. " Mais ça ne marche que si les photons sont cohérents, ce qui signifie qu'ils préservent leurs états quantiques pendant une période suffisamment longue."

De nombreux chercheurs ont essayé de produire des sources qui pourraient émettre de tels photons uniques cohérents, mais tous ont eu des limites. Les fluctuations aléatoires des matériaux entourant ces émetteurs ont tendance à modifier les propriétés des photons de manière imprévisible, détruire leur cohérence. Trouver des matériaux d'émetteur qui maintiennent la cohérence et qui sont également brillants et stables est « fondamentalement un défi, " dit Utzat. C'est parce que non seulement l'environnement mais même les matériaux eux-mêmes " fournissent essentiellement un bain fluctuant qui interagit de manière aléatoire avec l'état quantique excité électroniquement et lave la cohérence, " il dit.

"Sans avoir une source de photons uniques cohérents, vous ne pouvez utiliser aucun de ces effets quantiques qui sont à la base de la manipulation optique de l'information quantique, " dit Bawendi, qui est le professeur Lester Wolfe de chimie. Un autre effet quantique important qui peut être exploité en ayant des photons cohérents, il dit, est l'enchevêtrement, dans lequel deux photons se comportent essentiellement comme s'ils n'en faisaient qu'un, partageant toutes leurs propriétés.

Les précédents matériaux de points quantiques colloïdaux fabriqués chimiquement avaient des temps de cohérence très courts, mais cette équipe a découvert que fabriquer les points quantiques à partir de pérovskites, une famille de matériaux définie par leur structure cristalline, produit des niveaux de cohérence plus de mille fois meilleurs que les versions précédentes. Les propriétés de cohérence de ces boîtes quantiques de pérovskite colloïdales se rapprochent maintenant des niveaux des émetteurs établis, tels que les défauts de type atomique dans le diamant ou les points quantiques développés par des physiciens utilisant l'épitaxie par faisceau en phase gazeuse.

L'un des gros avantages des pérovskites, ils ont trouvé, était qu'ils émettent des photons très rapidement après avoir été stimulés par un faisceau laser. Cette vitesse élevée pourrait être une caractéristique cruciale pour les applications potentielles de l'informatique quantique. Ils ont également très peu d'interaction avec leur environnement, améliorant considérablement leurs propriétés de cohérence et de stabilité.

De tels photons cohérents pourraient également être utilisés pour des applications de communication à chiffrement quantique, dit Bawendi. Un genre particulier d'enchevêtrement, appelé intrication de polarisation, peut être la base de communications quantiques sécurisées qui défient les tentatives d'interception.

Maintenant que l'équipe a trouvé ces propriétés prometteuses, la prochaine étape est de travailler sur l'optimisation et l'amélioration de leurs performances afin de les rendre évolutives et pratiques. Pour une chose, ils doivent atteindre une indiscernabilité à 100 pour cent dans les photons produits. Jusque là, ils ont atteint 20 pour cent, "ce qui est déjà très remarquable, " Utzat dit, déjà comparables aux cohérences atteintes par d'autres matériaux, tels que les défauts fluorescents de type atomique dans le diamant, qui sont des systèmes déjà établis et sur lesquels on travaille depuis bien plus longtemps.

"Les points quantiques pérovskites ont encore un long chemin à parcourir jusqu'à ce qu'ils deviennent applicables dans des applications réelles, " il dit, "Mais il s'agit d'un nouveau système de matériaux disponible pour la photonique quantique qui peut désormais être optimisé et potentiellement intégré aux dispositifs."

C'est un phénomène nouveau et il faudra beaucoup de travail pour le développer à un niveau pratique, disent les chercheurs. "Notre étude est très fondamentale, » note Bawendi. « Cependant, c'est un grand pas vers le développement d'une nouvelle plate-forme matérielle qui est prometteuse."