Une interface lumière-matière efficace pourrait constituer le fondement de la communication quantique. Cependant, certaines structures formées au cours du processus de croissance interfèrent avec le signal.

Certaines structures semi-conductrices, les points dits quantiques, pourrait constituer le fondement de la communication quantique. Ils sont une interface efficace entre la matière et la lumière, avec des photons (particules lumineuses) émis par les points quantiques transportant des informations sur de grandes distances. Cependant, des structures se forment par défaut lors de la fabrication de points quantiques qui interfèrent avec la communication. Chercheurs de l'Université de Bâle, Ruhr-Universität Bochum, et Forschungszentrum Jülich ont maintenant réussi à éliminer ces interférences. Ils ont publié leur rapport dans le journal Physique des communications à partir du 9 août 2019.

Particules légères capables de transporter des informations sur de grandes distances

Les points quantiques peuvent être réalisés dans les semi-conducteurs si les chercheurs verrouillent un électron et un trou d'électron, c'est-à-dire une charge positive à une position où un électron devrait exister, dans un espace restreint. Ensemble, l'électron et le trou d'électron forment un état excité. Quand ils se recombinent, l'état excité disparaît et un photon est généré. "Ce photon pourrait être utilisé comme support d'information dans la communication quantique sur de grandes distances, " déclare le Dr Arne Ludwig de la Chaire de physique appliquée des solides à Bochum.

Les points quantiques fabriqués à Bochum sont générés dans le matériau semi-conducteur arséniure d'indium. Les chercheurs cultivent le matériau sur un substrat d'arséniure de gallium. Dans le processus, une couche lisse d'arséniure d'indium se forme sur une épaisseur d'à peine une couche et demie atomique - la couche dite de mouillage. Ensuite, les chercheurs génèrent de petites îles d'un diamètre de 30 nanomètres et d'une hauteur de quelques nanomètres. Ce sont les points quantiques.

Photons interférents de la couche de mouillage

La couche de mouillage qui doit être déposée dans la première étape pose des problèmes, parce qu'il, trop, contient des états de trous d'électrons excités qui se désintègrent et peuvent libérer des photons. Dans la couche mouillante, ces états se désintègrent encore plus facilement que dans les points quantiques. Les photons émis dans le processus ne peuvent pas être utilisés dans la communication quantique, toutefois; plutôt, ils génèrent un bruit statique dans le système.

"La couche de mouillage couvre toute la surface tandis que les points quantiques ne couvrent qu'un millième de la puce semi-conductrice, c'est pourquoi la lumière parasite est environ mille fois plus forte que la lumière émise par les points quantiques, " explique Andreas Wieck, Responsable de la Chaire de Physique Appliquée du Solide à Bochum. "La couche de mouillage rayonne des photons à une fréquence légèrement plus élevée et à une intensité beaucoup plus élevée que les points quantiques. C'est comme si les points quantiques émettaient le pas de chambre A, alors que la couche mouillante émettait un B mille fois plus fort."

Une couche supplémentaire élimine les interférences

"Nous avons pu ignorer ces interférences en n'excitant que les états d'énergie requis, ", explique Matthias Löbl de l'Université de Bâle. "Cependant, si les points quantiques doivent être utilisés comme unités d'information pour les applications quantiques, il pourrait être idéal de les charger avec plus d'électrons. Mais dans ce cas, les niveaux d'énergie dans la couche de mouillage seraient également excités, " ajoute Arne Ludwig.

L'équipe de recherche a maintenant éliminé cette interférence en ajoutant une couche d'arséniure d'aluminium développée au-dessus des points quantiques dans la couche de mouillage. Les états énergétiques dans la couche de mouillage sont ainsi supprimés, lequel, à son tour, rend moins probable que les électrons et les trous d'électrons se recombinent et émettent des photons.