Un dopant d'oxygène solitaire (sphère rouge) attaché de manière covalente à la paroi latérale du nanotube de carbone (gris) peut générer des photons uniques (rouge) à température ambiante lorsqu'il est excité par des impulsions laser (vert).
En communication optique, des informations critiques allant d'un numéro de carte de crédit à des données de sécurité nationale sont transmises sous forme de flux d'impulsions laser. Cependant, les informations transmises de cette manière peuvent être volées en séparant quelques photons (le quantum de lumière) de l'impulsion laser. Ce type d'écoute clandestine pourrait être évité en codant des bits d'information sur les états de la mécanique quantique (par exemple, l'état de polarisation) de photons uniques. La capacité de générer des photons uniques à la demande est la clé de la réalisation d'un tel schéma de communication.
En démontrant que l'incorporation de nanotubes de carbone à paroi unique vierges dans une matrice de dioxyde de silicium (SiO2) pourrait conduire à la création d'un état dopant à l'oxygène solitaire capable de ne pas fluctuer, émission de photons uniques à température ambiante, Les chercheurs de Los Alamos ont révélé une nouvelle voie vers la génération de photons uniques à la demande. Nature Nanotechnologie ont publié leurs conclusions.
Les photons émis par les lasers sont distribués aléatoirement dans le temps. Par conséquent, l'émission "simultanée" de deux photons ou plus est possible. La véritable génération de photons uniques nécessite un système de mécanique quantique isolé à deux niveaux qui ne peut émettre qu'un seul photon dans un cycle d'excitation-émission. Les exigences technologiques des matériaux pour la communication quantique incluent la capacité de générer des photons uniques dans le 1, 300 – 1, Gamme de longueurs d'onde de télécommunication de 500 nanomètres (nm) à température ambiante et compatibilité avec la technologie de microfabrication du silicium pour permettre la stimulation électrique et l'intégration d'autres composants de réseaux électroniques et photoniques. Des études antérieures ont révélé que les nanotubes de carbone présentent des défis techniques pour une utilisation dans les communications quantiques :1) les matériaux n'étaient capables d'émettre un photon unique qu'à une température cryogénique, et 2) leur émission inefficace avait de fortes fluctuations et dégradation.
Les nouvelles recherches du Laboratoire ont démontré que l'incorporation de nanotubes de carbone vierges dans une matrice de dioxyde de silicium (SiO2) pourrait conduire à l'incorporation d'états dopants à l'oxygène solitaires capables d'être sans fluctuation, émission de photons uniques à température ambiante dans la gamme de longueurs d'onde 1100 - 1300 nm.
Les nanotubes dopés à l'oxygène peuvent être encapsulés dans une couche de SiO2 déposée sur une plaquette de silicium. Cela présente une opportunité d'appliquer des technologies de fabrication micro-électronique bien établies pour le développement de sources de photons uniques à commande électrique et l'intégration de ces sources dans des dispositifs et des réseaux photoniques quantiques. Au-delà de la mise en œuvre des technologies de communication quantique, Les sources de photons uniques à base de nanotubes pourraient permettre des technologies quantiques transformatrices, y compris des mesures d'absorption ultra-sensibles, imagerie par sous-diffraction, et l'informatique quantique linéaire. Le matériau a un potentiel photonique, plasmonique, optoélectronique, et les applications des sciences de l'information quantique.
En utilisant un détecteur de photons de pointe, l'équipe a mesuré la distribution temporelle de deux événements d'émission de photons successifs et a démontré l'émission de photons uniques. En outre, l'équipe a étudié les effets de la température sur les efficacités d'émission de photoluminescence, fluctuations, et la dynamique de désintégration des états dopants dans le nanotube de carbone à paroi unique. Les chercheurs ont déterminé les conditions les plus adaptées à l'observation de l'émission d'un seul photon. En principe, l'émission pourrait être réglée à 1500 nm via le dopage de nanotubes de carbone monoparois à bande interdite plus petite. C'est un avantage distinct par rapport à d'autres matériaux, dans laquelle l'émission de photons uniques n'est possible que pour quelques longueurs d'onde discrètes inférieures à 1 µm.
