Les ampoules domestiques dégagent un torrent chaotique d'énergie, des milliards de minuscules particules lumineuses, appelées photons, se réfléchissent et se dispersent dans toutes les directions. Sources lumineuses quantiques, d'autre part, sont comme des canons légers qui tirent des photons uniques un par un, à chaque déclenchement, leur permettant de transporter des informations numériques à l'épreuve du piratage, une technologie attrayante pour des secteurs tels que la finance et la défense.

Maintenant, des chercheurs du Stevens Institute of Technology et de l'Université Columbia ont développé une méthode évolutive pour créer un grand nombre de ces sources lumineuses quantiques sur une puce avec une précision sans précédent qui pourrait non seulement ouvrir la voie au développement de systèmes cryptographiques incassables, mais aussi d'ordinateurs quantiques capables de des calculs complexes en quelques secondes qui prendraient des années à des ordinateurs normaux.

"La recherche de sources de lumière quantique évolutives dure depuis 20 ans, et plus récemment est devenu une priorité nationale, " dit Stefan Strauf, qui a dirigé les travaux et est également directeur du laboratoire nanophotonique de Stevens. "C'est la première fois que quelqu'un atteint un niveau de contrôle spatial combiné à une efficacité élevée sur une puce évolutive, qui sont tous nécessaires pour réaliser les technologies quantiques. »

L'oeuvre, à paraître dans le numéro en ligne anticipé du 29 octobre de Nature Nanotechnologie , décrit une nouvelle méthode pour créer des sources de lumière quantique à la demande dans n'importe quel endroit souhaité sur une puce, en étirant un film mince atomique de matériau semi-conducteur sur des nanocubes en or. Comme un emballage tendu, le film s'étend sur les coins des nanocubes, imprimer des emplacements définis où se forment les émetteurs de photons uniques.

Des recherches antérieures ont testé des méthodes pour produire des émetteurs quantiques dans des emplacements définis, mais ces conceptions n'étaient pas évolutives ou efficaces pour déclencher des photons uniques assez fréquemment pour être utiles dans la pratique. Strauf et son équipe ont changé tout cela en devenant les premiers à combiner le contrôle spatial et l'évolutivité avec la capacité d'émettre efficacement des photons à la demande.

Pour atteindre ces capacités, L'équipe de Strauf a conçu une approche unique où le nanocube d'or sert un double objectif :il imprime l'émetteur quantique sur la puce et il agit comme une antenne autour de celui-ci. En créant les émetteurs quantiques entre le nanocube d'or et le miroir, Strauf a laissé un écart étroit de cinq nanomètres—20, 000 fois plus petit que la largeur d'une feuille de papier.

"Ce petit espace entre le miroir et le nanocube crée une antenne optique qui canalise tous les photons dans cet espace de cinq nanomètres, concentrant ainsi toute l'énergie" dit Strauf. "Essentiellement, il fournit l'impulsion nécessaire pour que les photons uniques soient émis rapidement à partir de l'emplacement défini et dans la direction souhaitée."

Pour améliorer encore l'efficacité des sources de lumière quantique, Strauf a fait équipe avec Katayun Barmak et James Hone, de l'Université de Columbia, qui a développé une technique de croissance de cristaux semi-conducteurs presque exempts de défauts. En utilisant ces cristaux uniques, L'étudiant diplômé de Stevens, Yue Luo, a construit des rangées d'émetteurs quantiques sur une puce en étirant le matériau fin atomique sur les nanocubes. Les nanoantennes sont formées par fixation du miroir, sur la face inférieure du nanocube.

Le résultat :un tir record de 42 millions de photons uniques par seconde; en d'autres termes, chaque deuxième déclencheur créait un photon à la demande, contre seulement un déclencheur sur 100 auparavant.

Bien que minuscule, les émetteurs sont remarquablement résistants. "Ils sont étonnamment stables, " dit Strauf. " Nous pouvons les refroidir et les réchauffer et démonter le résonateur et le remonter, et ils fonctionnent toujours." La plupart des émetteurs quantiques doivent être maintenus réfrigérés à -273°C mais la nouvelle technologie fonctionne jusqu'à -70°C. "Nous ne sommes pas encore à température ambiante, " dit Strauf, "mais les expériences actuelles montrent qu'il est possible d'y arriver."