Illustration d'une pointe de sonde recouverte d'or injectant des électrons dans une imperfection soigneusement localisée dans un matériau atomiquement mince. L'énergie de chaque électron provoque l'émission très localisée d'un seul photon, qui peut ensuite être guidé vers un détecteur. Crédit :Ignacio Gaubert
Des réseaux de télécommunications sécurisés et un traitement rapide de l'information rendent possible une grande partie de la vie moderne. Pour offrir plus de sécurité, plus rapide, et un partage d'informations plus performant que ce qui est actuellement possible, les scientifiques et les ingénieurs conçoivent des appareils de nouvelle génération qui exploitent les règles de la physique quantique. Ces conceptions reposent sur des photons uniques pour coder et transmettre des informations à travers les réseaux quantiques et entre les puces quantiques. Cependant, les outils de génération de photons uniques n'offrent pas encore la précision et la stabilité requises pour les technologies de l'information quantique.
Maintenant, comme indiqué récemment dans la revue Avancées scientifiques , les chercheurs ont trouvé un moyen de générer des photons identiques sur demande. En positionnant une sonde métallique sur un point désigné dans un matériau semi-conducteur 2-D commun, l'équipe dirigée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie a déclenché électriquement une émission de photons. Les propriétés du photon peuvent être simplement ajustées en changeant la tension appliquée.
"La démonstration de l'émission monophotonique à commande électrique en un point précis constitue un grand pas dans la quête de technologies quantiques intégrables, " a déclaré Alex Weber-Bargioni, un scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab qui a dirigé le projet. La recherche fait partie du Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), un centre de recherche Energy Frontier parrainé par le ministère de l'Énergie, dont l'objectif global est de trouver de nouvelles approches pour protéger et contrôler la mémoire quantique qui peuvent fournir de nouvelles informations sur de nouveaux matériaux et conceptions pour la technologie de l'informatique quantique.
Les photons sont l'un des supports les plus robustes de l'information quantique et peuvent parcourir de longues distances sans perdre leur mémoire, ou ce qu'on appelle la cohérence. À ce jour, les schémas les plus établis pour le transfert de communication sécurisé qui alimenteront les communications quantiques à grande échelle nécessitent des sources lumineuses pour générer un photon à la fois. Chaque photon doit avoir une longueur d'onde et une orientation précisément définies. Le nouvel émetteur de photons présenté au Berkeley Lab atteint ce contrôle et cette précision. Il pourrait être utilisé pour transférer des informations entre des processeurs quantiques sur différentes puces, et finalement étendu à des processeurs plus gros et à un futur Internet quantique qui relie des ordinateurs sophistiqués à travers le monde.
L'émetteur de photons est basé sur un matériau semi-conducteur 2-D commun (disulfure de tungstène, WS
Le défi n'est pas de savoir comment générer des photons uniques, mais comment les rendre vraiment identiques et les produire à la demande. Dispositifs émetteurs de photons, comme les nanoparticules semi-conductrices ou les « points quantiques » qui éclairent les téléviseurs QLED, qui sont fabriqués par lithographie sont soumis à une variabilité inhérente, puisqu'aucun système basé sur des motifs ne peut être identique à un seul atome. Les chercheurs travaillant avec Weber-Bargioni ont adopté une approche différente en faisant croître un matériau en couche mince sur une feuille de graphène. Toutes les impuretés introduites dans la structure atomique du film mince sont répétées et identiques dans tout l'échantillon. Grâce à des simulations et des expériences, l'équipe a déterminé où introduire une imperfection dans la structure par ailleurs uniforme. Puis, en appliquant un contact électrique à cet endroit, ils ont pu déclencher le matériau pour émettre un photon et contrôler son énergie avec la tension appliquée. Ce photon est alors disponible pour transporter des informations vers un emplacement distant.
Une carte montre l'intensité et l'emplacement des photons émis par un matériau en couche mince lorsqu'une tension est appliquée. Crédit :Berkeley Lab
"Les émetteurs à photons uniques sont comme un terminal où des informations quantiques soigneusement préparées mais fragiles sont envoyées dans un voyage à la vitesse de l'éclair, boîte solide, " a déclaré Bruno Schuler, chercheur postdoctoral à la Molecular Foundry (maintenant chercheur à l'Empa, les Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux) et auteur principal de l'ouvrage.
La clé de l'expérience est la pointe dorée d'un microscope à effet tunnel qui peut être positionné exactement sur le site du défaut dans le matériau en film mince. Lorsqu'une tension est appliquée entre la pointe de la sonde et l'échantillon, la pointe injecte un électron dans le défaut. Lorsque l'électron se déplace ou tunnels à partir de la pointe de la sonde, une partie bien définie de son énergie se transforme en un seul photon. Finalement, la pointe de la sonde agit comme une antenne qui aide à guider le photon émis vers un détecteur optique qui enregistre sa longueur d'onde et sa position.
En cartographiant les photons émis par des films minces comportant divers défauts, les chercheurs ont pu mettre en évidence la corrélation entre l'électron injecté, structure atomique locale, et le photon émis. D'habitude, la résolution optique d'une telle carte est limitée à quelques centaines de nanomètres. Grâce à une injection électronique extrêmement localisée, combiné avec des outils de microscopie de pointe, l'équipe du Berkeley Lab a pu déterminer où dans le matériau un photon a émergé avec une résolution inférieure à 1 angström, environ le diamètre d'un seul atome. Les cartes photoniques détaillées ont été cruciales pour localiser et comprendre le mécanisme d'émission de photons déclenché par des électrons.
« Sur le plan technique, ce travail a été une grande avancée car nous pouvons cartographier l'émission de lumière à partir d'un seul défaut avec une résolution inférieure au nanomètre. Nous visualisons l'émission lumineuse avec une résolution atomique, " a déclaré Katherine Cochrane, chercheur postdoctoral à la Molecular Foundry et auteur principal de l'article.
La définition de sources lumineuses à photon unique dans des matériaux bidimensionnels avec une précision atomique fournit des informations sans précédent essentielles pour comprendre le fonctionnement de ces sources, et fournit une stratégie pour faire des groupes de ceux parfaitement identiques. Le travail fait partie de l'accent mis par NPQC sur l'exploration de nouveaux phénomènes quantiques dans des matériaux 2D non homogènes.
Les matériaux bidimensionnels ouvrent la voie en tant que plate-forme puissante pour les émetteurs de photons de nouvelle génération. Les films minces sont flexibles et s'intègrent facilement à d'autres structures, et fournissent désormais un moyen systématique d'introduire un contrôle sans précédent sur l'émission de photons. Sur la base des nouveaux résultats, les chercheurs prévoient de travailler sur l'utilisation de nouveaux matériaux à utiliser comme sources de photons dans les réseaux quantiques et les simulations quantiques.
