Pour se rapprocher de la technologie quantique, nous devons développer des sources lumineuses non classiques qui peuvent émettre un seul photon à la fois et le faire à la demande. Des scientifiques de l'EPFL ont conçu l'un de ces "émetteurs de photons uniques" qui peut fonctionner à température ambiante et qui est basé sur des points quantiques développés sur des substrats de silicium économiques.

Développer des sources lumineuses non classiques capables d'émettre, à la demande, exactement un photon à la fois est l'une des principales exigences des technologies quantiques. Mais bien que la première démonstration d'un tel "émetteur de photons unique", ou SPE, remonte aux années 1970, leur faible fiabilité et leur faible efficacité ont empêché toute utilisation pratique significative.

Les sources lumineuses conventionnelles telles que les ampoules à incandescence ou les LED émettent des paquets de photons à la fois. En d'autres termes, leur probabilité d'émettre un seul photon à la fois est très faible. Les sources laser peuvent émettre des flux de photons uniques, mais pas à la demande, ce qui signifie que, parfois, aucun photon n'est émis lorsque nous le souhaitons.

Ainsi, le principal avantage des SPE est qu'ils peuvent faire les deux :émettre un seul photon et le faire à la demande ou, en termes plus techniques, leur pureté de photon unique, qu'ils peuvent maintenir à un laps de temps ultra-rapide. Ainsi, pour qu'une source lumineuse soit qualifiée de SPE, elle doit présenter une pureté de photon unique supérieure à 50 % ; bien sûr, plus on se rapproche de 100 %, plus on se rapproche d'un SPE idéal.

Des chercheurs de l'EPFL, dirigés par le professeur Nicolas Grandjean, ont maintenant développé des SPE "brillants et purs" basés sur des boîtes quantiques semi-conductrices à large bande interdite développées sur des substrats de silicium économiques.

Les points quantiques sont constitués de nitrure de gallium et de nitrure d'aluminium (GaN/AlN) et présentent une pureté de photon unique de 95 % à des températures cryogéniques, tout en conservant une excellente résilience à des températures plus élevées, avec une pureté de 83 % à température ambiante.

Le SPE affiche également des taux d'émission de photons jusqu'à 1 MHz tout en maintenant une pureté de photon unique supérieure à 50 %. "Une telle luminosité jusqu'à la température ambiante est possible en raison des propriétés électroniques uniques des points quantiques GaN/AlN, qui préservent la pureté du photon unique en raison du chevauchement spectral limité avec l'excitation électronique concurrente voisine", déclare Stachurski, le Ph.D. . étudiant qui a étudié ces systèmes quantiques.

"Une caractéristique très intéressante des boîtes quantiques GaN/AlN est qu'elles appartiennent à la famille des semi-conducteurs au nitrure III, à savoir celle à l'origine de la révolution de l'éclairage à l'état solide (LED bleues et blanches) dont l'importance a été reconnue par le prix Nobel de physique en 2014. ", précisent les chercheurs. "C'est aujourd'hui la deuxième famille de semi-conducteurs en termes de marché grand public juste après le silicium qui domine l'industrie de la microélectronique. A ce titre, les nitrures III bénéficient d'une plate-forme technologique solide et mature, ce qui les rend d'un intérêt potentiel élevé pour le développement d'applications quantiques. ."

Une étape future importante sera de voir si cette plateforme peut émettre un photon et un seul par impulsion laser, ce qui est un préalable indispensable pour déterminer son efficacité.

"Comme nos excitations électroniques présentent des durées de vie à température ambiante aussi courtes que 2 à 3 milliardièmes de seconde, des taux de photons uniques de plusieurs dizaines de MHz pourraient être à portée de main", déclarent les auteurs. "Combinée à une excitation laser résonnante, qui est connue pour améliorer considérablement la pureté des photons uniques, notre plate-forme de points quantiques pourrait être intéressante pour mettre en œuvre une distribution de clé quantique à température ambiante basée sur un véritable SPE, par opposition aux systèmes commerciaux actuels qui fonctionnent avec sources laser atténuées."

La recherche a été publiée dans Light :Science &Applications . + Explorer plus loin

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