Para nos aproximarmos da tecnologia quântica, precisamos desenvolver fontes de luz não clássicas que possam emitir um único fóton por vez e fazê-lo sob demanda. Os cientistas da EPFL agora projetaram um desses "emissores de fóton único" que podem funcionar à temperatura ambiente e é baseado em pontos quânticos cultivados em substratos de silício econômicos.
Desenvolver fontes de luz não clássicas que possam emitir, sob demanda, exatamente um fóton por vez é um dos principais requisitos das tecnologias quânticas. Mas, embora a primeira demonstração desse "emissor de fóton único", ou SPE, remonte à década de 1970, sua baixa confiabilidade e eficiência impediu qualquer uso prático significativo.

Fontes de luz convencionais, como lâmpadas incandescentes ou LEDs, emitem vários fótons por vez. Em outras palavras, sua probabilidade de emitir um único fóton de cada vez é muito baixa. As fontes de laser podem emitir fluxos de fótons únicos, mas não sob demanda, o que significa que, às vezes, não haverá fótons emitidos quando queremos.

Portanto, a principal vantagem dos SPEs é que eles podem fazer as duas coisas:emitir um único fóton e fazê-lo sob demanda – ou, em termos mais técnicos, sua pureza de fóton único, que eles podem manter em um prazo ultrarrápido. Assim, para que uma fonte de luz se qualifique como SPE, ela deve apresentar uma pureza de fóton único acima de 50%; é claro que quanto mais próximo de 100%, mais perto estaremos de uma SPE ideal.

Pesquisadores da EPFL, liderados pelo professor Nicolas Grandjean, agora desenvolveram SPEs "brilhantes e puros" baseados em pontos quânticos semicondutores de banda larga cultivados em substratos de silício econômicos.

Os pontos quânticos são feitos de nitreto de gálio e nitreto de alumínio (GaN/AlN) e apresentam pureza de fóton único de 95% em temperaturas criogênicas, além de manter excelente boa resiliência em temperaturas mais altas, com pureza de 83% em temperatura ambiente.

O SPE também mostra taxas de emissão de fótons de até 1 MHz, mantendo uma pureza de fóton único acima de 50%. "Tal brilho até a temperatura ambiente é possível devido às propriedades eletrônicas únicas dos pontos quânticos GaN/AlN, que preservam a pureza de um único fóton devido à sobreposição espectral limitada com a excitação eletrônica vizinha concorrente", diz Stachurski, Ph.D. . estudante que investigou esses sistemas quânticos.

"Uma característica muito atraente dos pontos quânticos GaN/AlN é que eles pertencem à família de semicondutores de nitreto III, ou seja, a que está por trás da revolução da iluminação de estado sólido (LEDs azuis e brancos) cuja importância foi reconhecida pelo Prêmio Nobel de Física em 2014 ”, afirmam os pesquisadores. "É hoje a segunda família de semicondutores em termos de mercado consumidor logo após o silício que domina a indústria microeletrônica. Como tal, os III-nitretos se beneficiam de uma plataforma tecnológica sólida e madura, o que os torna de alto potencial de interesse para o desenvolvimento de aplicações quânticas ."

Um importante passo futuro será ver se esta plataforma pode emitir um fóton e apenas um por pulso de laser, que é um pré-requisito essencial para determinar sua eficiência.

"Como nossas excitações eletrônicas exibem tempos de vida à temperatura ambiente tão curtos quanto 2 a 3 bilionésimos de segundo, taxas de fótons únicos de várias dezenas de MHz podem estar ao alcance", afirmam os autores. "Combinada com a excitação de laser ressonante, que é conhecida por melhorar significativamente a pureza de um único fóton, nossa plataforma de pontos quânticos pode ser interessante para implementar a distribuição de chaves quânticas à temperatura ambiente com base em um verdadeiro SPE, em oposição aos atuais sistemas comerciais que funcionam com fontes de laser atenuadas."

A pesquisa foi publicada em Light:Science &Applications . + Explorar mais

A fonte de fóton único abre caminho para a criptografia quântica prática