Para despegar realmente El procesamiento avanzado de información cuántica requerirá una mejor comprensión (experimental) de un fenómeno esencial llamado "fotones indistinguibles". Un alto grado de "indistinguibilidad" requiere una superposición de paquetes de ondas casi completa, o combinación perfecta de fotones, de energía, espacio, tiempo y polarización.

Si bien muchos tipos de emisores de un solo fotón, como los puntos cuánticos semiconductores, ya han demostrado la generación de fotones indistinguibles, un grupo de investigadores de la Universidad de Tsukuba y del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón buscó utilizar un centro de impurezas de nitrógeno que se encuentra en los semiconductores compuestos III-V como una nueva fuente de fotón único. Informan sus resultados esta semana en la revista Letras de física aplicada .

Centros de luminiscencia de nitrógeno dentro de semiconductores compuestos III-V, compuesto por elementos en las columnas III y IV de la tabla periódica como GaAs, muestran un espectro de emisión nítido correspondiente a un estado de energía conocido como "trampa isoelectrónica". La generación de un solo fotón a partir de estas trampas isoelectrónicas es muy deseable debido a la homogeneidad que proporciona, emitiendo fotones de múltiples centros con la misma energía.

"Nuestros estudios confirmaron que las trampas isoelectrónicas tienen un tiempo de coherencia prolongado, que es una de las condiciones necesarias para crear un fotón indistinguible, "dijo Michio Ikezawa, profesor asociado de Ciencias Puras y Aplicadas, Universidad de Tsukuba.

Para el estudio, El grupo evaluó en primer lugar la indistinguibilidad de los fotones emitidos desde un centro de luminiscencia en GaAs dopado con delta de nitrógeno mediante la interferencia de dos fotones. También investigaron su dependencia del tiempo, que reveló información importante sobre la escala de tiempo de la decoherencia (dicho de otra manera, cuando el sistema cuántico se desdibuja y muestra el comportamiento de estado clásico) que puede ser difícil de obtener a través de otros métodos.

Por este trabajo, el "centro de emisión" que actúa como una trampa isoelectrónica está formado por la impureza dentro de GaAs donde el nitrógeno ha reemplazado al arsénico. "Cuando la muestra está fotoexcitada, cada trampa puede capturar un par electrón-hueco y emitir un solo fotón mediante una recombinación radiativa de ellos, "Dijo Ikezawa.

Estas impurezas de nitrógeno se dopan luego dentro de una capa bidimensional muy delgada mediante la llamada técnica de dopaje delta durante el crecimiento de la deposición de vapor químico orgánico metálico, "Dijo Ikezawa." Usando esta técnica, se puede seleccionar un único centro de luminiscencia con un microscopio óptico convencional ".

Medir la indistinguibilidad ofreció una comprensión sorprendente. "La indistinguibilidad era 0,24, que era independiente del intervalo de tiempo entre 2 y 4 nanosegundos, ", Dijo Ikezawa." Esto fue algo sorprendente en comparación con estudios previos de puntos cuánticos, y llegamos a la conclusión de que hay un mecanismo de desfase muy rápido en 2 nanosegundos en nuestra muestra ".

Los resultados del grupo son importantes no solo porque son la primera demostración de la medición de la interferencia de dos fotones de fotones indistinguibles creados por centros de impurezas en semiconductores III-IV, sino también porque exploran similitudes y diferencias con los puntos cuánticos típicos para los mecanismos de decoherencia.

En cuanto a aplicaciones, "Los fotones indistinguibles son muy importantes para la tecnología de la información cuántica, como la teletransportación cuántica y la computación cuántica óptica lineal, ", Dijo Ikezawa." Nuestro objetivo es poder proporcionar muchas fuentes de fotones que generen fotones indistinguibles en una forma integrada en un chip semiconductor ".

Si bien los puntos cuánticos semiconductores se han estudiado intensamente con objetivos similares, "En principio, es difícil hacer que la energía de los fotones obtenidos de muchos puntos cuánticos sea la misma para que no se puedan distinguir entre sí, "Dijo Ikezawa." La indistinguibilidad obtenida esta vez no fue lo suficientemente alta. Se cree que es causado por el mecanismo de relajación de alta velocidad que informamos, por lo que una tarea futura será aclarar el mecanismo y encontrar un método para suprimirlo ".