Na comunicação óptica, informações críticas, desde um número de cartão de crédito a dados de segurança nacional, são transmitidas em fluxos de pulsos de laser. Contudo, as informações transmitidas dessa maneira podem ser roubadas pela divisão de alguns fótons (o quantum de luz) do pulso de laser. Este tipo de espionagem poderia ser evitado codificando bits de informação sobre estados mecânicos quânticos (por exemplo, estado de polarização) de fótons únicos. A capacidade de gerar fótons únicos sob demanda é a chave para a realização de tal esquema de comunicação.

Ao demonstrar que a incorporação de nanotubos de carbono de parede única prístinos em uma matriz de dióxido de silício (SiO2) pode levar à criação de um estado dopante de oxigênio solitário capaz de livre de flutuação, emissão de fóton único à temperatura ambiente, Os pesquisadores de Los Alamos revelaram um novo caminho para a geração de fóton único sob demanda. Nature Nanotechnology publicaram suas descobertas.

Os fótons emitidos por lasers são distribuídos aleatoriamente no tempo. Portanto, emissão "simultânea" de dois ou mais fótons é possível. A verdadeira geração de um único fóton requer um sistema quântico isolado de dois níveis que pode emitir apenas um fóton em um ciclo de excitação-emissão. Os requisitos tecnológicos de materiais para comunicação quântica incluem a capacidade de gerar fótons únicos no 1, 300 - 1, Faixa de comprimento de onda de telecomunicação de 500 nanômetros (nm) em temperatura ambiente e compatibilidade com tecnologia de microfabricação de silício para permitir estimulação elétrica e integração de outros componentes de rede eletrônica e fotônica. Estudos anteriores revelaram que os nanotubos de carbono apresentam desafios técnicos para uso em comunicações quânticas:1) os materiais eram capazes de emitir um único fóton apenas em temperatura criogênica, e 2) sua emissão ineficiente teve fortes flutuações e degradação.

A nova pesquisa do Laboratório demonstrou que a incorporação de nanotubos de carbono primitivos em uma matriz de dióxido de silício (SiO2) pode levar à incorporação de estados solitários de dopante de oxigênio capazes de flutuação livre, emissão de fóton único em temperatura ambiente na faixa de comprimento de onda de 1100 - 1300 nm.

Os nanotubos dopados com oxigênio podem ser encapsulados em uma camada de SiO2 depositada em um wafer de silício. Isso representa uma oportunidade de aplicar tecnologias de fabricação microeletrônica bem estabelecidas para o desenvolvimento de fontes de fóton único eletricamente acionadas e integração dessas fontes em dispositivos fotônicos quânticos e redes. Além da implementação de tecnologias de comunicação quântica, fontes de fóton único baseadas em nanotubos podem permitir tecnologias quânticas transformadoras, incluindo medições de absorção ultra-sensíveis, imagem de sub-difração, e computação quântica linear. O material tem potencial fotônico, plasmonic, optoeletrônico, e aplicações de ciência da informação quântica.

Usando um detector de fótons de última geração, a equipe mediu a distribuição temporal de dois eventos sucessivos de emissão de fótons e demonstrou a emissão de um único fóton. Além disso, a equipe investigou os efeitos da temperatura nas eficiências de emissão de fotoluminescência, flutuações, e dinâmica de decaimento dos estados de dopante no nanotubo de carbono de parede única. Os pesquisadores determinaram as condições mais adequadas para a observação da emissão de um único fóton. Em princípio, a emissão poderia ser ajustada para 1500 nm por meio de dopagem de nanotubos de carbono de parede única com gap menor. Esta é uma vantagem distinta em comparação com alguns outros materiais, em que a emissão de um único fóton é possível apenas para alguns comprimentos de onda discretos menores que 1 µm.