Para realmente decolar, o processamento avançado de informações quânticas exigirá a obtenção de uma melhor compreensão (experimental) de um fenômeno essencial chamado "fótons indistinguíveis". Um alto grau de "indistinguibilidade" requer sobreposição quase completa do pacote de ondas, ou combinação perfeita de fótons, de energia, espaço, tempo e polarização.

Embora muitos tipos de emissores de fóton único, como pontos quânticos semicondutores, já tenham demonstrado geração de fótons indistinguíveis, um grupo de pesquisadores da Universidade de Tsukuba e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão procurou usar um centro de impureza de nitrogênio encontrado em semicondutores compostos III-V como uma nova fonte de fóton único. Eles relatam seus resultados esta semana no jornal Cartas de Física Aplicada .

Centros de luminescência de nitrogênio dentro de semicondutores compostos III-V, composto de elementos nas colunas III e IV da tabela periódica, como GaAs, mostram um espectro de emissão nítido correspondendo a um estado de energia conhecido como uma "armadilha isoeletrônica". A geração de um único fóton a partir dessas armadilhas isoeletrônicas é altamente desejável devido à homogeneidade que fornece, emitindo fótons de vários centros com a mesma energia.

"Nossos estudos confirmaram que as armadilhas isoeletrônicas realmente têm um longo tempo de coerência, que é uma das condições necessárias para a criação de um fóton indistinguível, "disse Michio Ikezawa, um professor associado em Ciências Puras e Aplicadas, University of Tsukuba.

Para o estudo, o grupo avaliou primeiro a indistinguibilidade de fótons emitidos de um centro de luminescência em GaAs dopado com delta de nitrogênio por interferência de dois fótons. Eles também investigaram sua dependência do tempo, que revelou informações importantes sobre a escala de tempo da decoerência (dito de outra forma, quando o sistema quântico fica embaçado e exibe o comportamento de estado clássico), isso pode ser um desafio de obter por meio de outros métodos.

Para este trabalho, o "centro de emissão" que atua como uma armadilha isoeletrônica é formado pela impureza dentro do GaAs, onde o nitrogênio substituiu o arsênico. "Quando a amostra é fotoexcitada, cada armadilha pode capturar um par elétron-buraco e emitir um único fóton por uma recombinação radiativa deles, "Disse Ikezawa.

Essas impurezas de nitrogênio são então "dopadas dentro de uma camada bidimensional muito fina pela chamada técnica de dopagem delta durante o crescimento de deposição de vapor químico orgânico de metal, "Ikezawa disse." Usando esta técnica, um único centro de luminescência pode ser selecionado com um microscópio óptico convencional. "

Medir a indistinguibilidade ofereceu uma visão surpreendente. "A indistinguibilidade foi de 0,24, que era independente do intervalo de tempo entre 2 a 4 nanossegundos, "Disse Ikezawa." Isso foi um tanto surpreendente em comparação com estudos anteriores de pontos quânticos, e concluímos que há um mecanismo de defasagem muito rápido em 2 nanossegundos em nossa amostra. "

Os resultados do grupo são importantes não apenas porque são a primeira demonstração da medição da interferência de dois fótons de fótons indistinguíveis criados por centros de impureza em semicondutores III-IV, mas também porque exploram semelhanças e diferenças com pontos quânticos típicos para mecanismos de decoerência.

Quanto aos aplicativos, "Fótons indistinguíveis são muito importantes para a tecnologia da informação quântica, como teletransporte quântico e computação quântica óptica linear, "Ikezawa disse." Nosso objetivo é ser capaz de fornecer muitas fontes de fótons que gerem fótons indistinguíveis de uma forma integrada em um chip semicondutor. "

Embora os pontos quânticos semicondutores tenham sido intensamente estudados com objetivos semelhantes, "é difícil, em princípio, fazer com que a energia dos fótons obtidos de muitos pontos quânticos seja a mesma, de modo que eles sejam indistinguíveis um do outro, "Ikezawa disse." A indistinguibilidade obtida desta vez não foi alta o suficiente. Acredita-se que seja causado pelo mecanismo de relaxamento de alta velocidade que relatamos, portanto, uma tarefa futura será esclarecer o mecanismo e encontrar um método para suprimi-lo. "