La science et la technologie de l'information quantique ont émergé comme un nouveau paradigme pour des calculs considérablement plus rapides et une communication sécurisée au 21e siècle. Au cœur de tout système quantique se trouve le bloc de construction le plus basique, le bit quantique ou qbit, qui porte l'information quantique qui peut être transférée et traitée (c'est l'analogue quantique du bit utilisé dans les systèmes d'information actuels). Le qbit de transporteur le plus prometteur pour finalement rapide, le transfert d'informations quantiques à longue distance est le photon, l'unité quantique de la lumière.
Le défi auquel sont confrontés les scientifiques est de produire des sources artificielles de photons pour diverses tâches d'information quantique. L'un des plus grands défis est le développement de solutions efficaces, sources de photons évolutives pouvant être montées sur puce et fonctionnant à température ambiante. La plupart des sources utilisées dans les laboratoires aujourd'hui doivent être très froides (à la température de l'hélium liquide, environ -270C), qui nécessite des réfrigérateurs volumineux et coûteux. De nombreuses sources émettent également des photons dans des directions indéfinies, faire de la collecte efficace un problème difficile.
Maintenant, une équipe de scientifiques de l'Université hébraïque de Jérusalem a démontré une source de photons unique efficace et compacte qui peut fonctionner sur une puce à température ambiante. En utilisant de minuscules nanocristaux faits de matériaux semi-conducteurs, les scientifiques ont développé une méthode dans laquelle un seul nanocristal peut être positionné avec précision au-dessus d'une nano-antenne spécialement conçue et fabriquée avec soin.
De même les grandes antennes sur les toits émettent directement des ondes radio classiques pour les transmissions cellulaires et satellites, la nano-antenne a dirigé efficacement les photons uniques émis par les nanocristaux dans une direction bien définie dans l'espace. Ce dispositif combiné nanocristaux-nanoantenne a été capable de produire un flux hautement directionnel de photons uniques volant tous dans la même direction avec un angle de divergence record. Ces photons ont ensuite été collectés avec un montage optique très simple, et envoyé pour être détecté et analysé à l'aide de détecteurs à photon unique.
L'équipe a démontré que ce dispositif hybride améliore l'efficacité de collecte des photons uniques de plus d'un facteur 10 par rapport à un seul nanocristal sans l'antenne, sans avoir besoin de systèmes de collecte optique complexes et encombrants utilisés dans de nombreuses autres expériences. Les résultats expérimentaux montrent que près de 40% des photons sont facilement collectés avec un appareil optique très simple, et plus de 20% des photons sont émis dans une très faible ouverture numérique, une amélioration de 20 fois par rapport à une boîte quantique autonome, et avec une probabilité de plus de 70% pour une émission de photon unique. La pureté du photon unique n'est limitée que par l'émission du métal, un obstacle qui peut être contourné avec une conception et une fabrication soignées.
Les antennes ont été fabriquées à l'aide de simples couches métalliques et diélectriques selon des méthodes compatibles avec les technologies de fabrication industrielles actuelles, et beaucoup de ces dispositifs peuvent être fabriqués de manière dense sur une petite puce. L'équipe travaille maintenant sur une nouvelle génération de dispositifs améliorés qui permettront la production déterministe de photons uniques directement de la puce dans les fibres optiques, sans aucun composant optique supplémentaire, avec une efficacité proche de l'unité.
"Cette recherche ouvre une voie prometteuse pour une haute pureté, haute efficacité, source de photons uniques sur puce fonctionnant à température ambiante, un concept qui peut être étendu à de nombreux types d'émetteurs quantiques. Une source de photons uniques hautement directionnelle pourrait conduire à un progrès significatif dans la production de compacts, pas cher, et des sources efficaces de bits d'information quantique pour les futures applications technologiques quantiques", a déclaré le professeur Ronen Rapaport, de l'Institut de physique de Racah, Le Département de Physique Appliquée, et le Centre de nanoscience et de nanotechnologie de l'Université hébraïque de Jérusalem.
L'étude est publiée dans le Lettres nano .
