Une équipe de chercheurs de l'Institut d'optique du CSIC et de l'Institut des sciences photoniques (ICFO) de Barcelone a proposé une nouvelle conception pour mettre en œuvre des sources à photons uniques hautement directionnelles, ce qui constitue une amélioration par rapport aux technologies quantiques actuellement existantes. Les travaux sont publiés dans la revue Nanophotonics .

La génération de photons uniques dans des directions bien définies nécessite des systèmes très sophistiqués, mais cette nouvelle proposition offre une solution plus simple et plus efficace.

Le travail propose l'utilisation d'un émetteur quantique (molécule ou atome qui émet un seul photon lorsqu'il passe à un état d'énergie inférieur) inséré dans un guide d'ondes unidimensionnel formé par une structure périodique. Cette structure est conçue pour prendre en charge un seul mode de lumière guidé dans la plage spectrale de l'émetteur quantique.

En conséquence, les photons émis par l'émetteur quantique sont de préférence couplés à ce mode guide d'ondes, ce qui entraîne une directionnalité élevée et réduit l'incertitude temporelle de l'émission de plus de deux ordres de grandeur.

Les sources de photons uniques sont des composants fondamentaux des dispositifs d’optique quantique utilisés aujourd’hui en informatique, en cryptographie et en métrologie quantique. Ces dispositifs utilisent des émetteurs quantiques qui, après excitation, produisent des photons uniques avec une probabilité proche de 100 % et des temps d'émission de l'ordre de quelques à quelques dizaines de nanosecondes.

La qualité d'une source de photons uniques dépend de sa capacité (i) à extraire des photons uniques avec une efficacité élevée, (ii) à réduire l'incertitude du temps d'émission, (iii) à augmenter le taux de répétition et (iv) à exclure les sources à deux photons. événements.

Cette étude présente une nouvelle approche qui peut améliorer l'efficacité de l'extraction et réduire l'incertitude du temps d'émission en exploitant l'effet Purcell. Cet effet consiste en la modification de la probabilité d'émission d'un émetteur quantique en raison de l'interaction avec son environnement.

Contrairement aux approches précédentes qui nécessitaient des structures à deux ou trois dimensions pour obtenir un mode guidé, cette nouvelle approche n'a besoin que d'un système unidimensionnel. La conception proposée peut être mise en œuvre avec une grande variété de matériaux et est très robuste aux imperfections de fabrication. De plus, en tant que système unidimensionnel, il présente un encombrement beaucoup plus réduit que les structures à cristaux photoniques bidimensionnelles proposées précédemment, ce qui offre des avantages pour l'intégration du dispositif sur une puce.

En principe, l’émetteur quantique situé dans le guide d’ondes émet des photons dans les deux directions du guide d’ondes, mais il existe des stratégies pour émettre les photons dans une seule direction. Par exemple, il est possible d'utiliser des émetteurs polarisés circulairement (dans lesquels le champ électrique du photon tourne au fur et à mesure que la lumière se propage) ou de modifier une extrémité du guide d'onde pour mettre en œuvre un réflecteur de Bragg.

Bien que cette étude se soit concentrée sur les guides d'ondes formés de nanostructures sphériques, les résultats peuvent être facilement appliqués à d'autres types d'éléments, tels que les ondulations périodiques dans un guide d'ondes rectangulaire.

Il s'agit d'un travail de recherche réalisé par les scientifiques Alejandro Manjavacas, de l'Institut d'Optique "Daza de Valdés" du CSIC et F. Javier García de Abajo, de l'Institut des Sciences Photoniques (ICFO) de Barcelone.

Plus d'informations : Alejandro Manjavacas et al, Source de photons uniques hautement directionnelle, Nanophotonique (2023). DOI : 10.1515/nanoph-2023-0276

Fourni par le Conseil national espagnol de la recherche