Para acercarnos a la tecnología cuántica, necesitamos desarrollar fuentes de luz no clásicas que puedan emitir un solo fotón a la vez y hacerlo bajo demanda. Los científicos de EPFL ahora han diseñado uno de estos "emisores de fotones únicos" que pueden funcionar a temperatura ambiente y se basan en puntos cuánticos que crecen en sustratos de silicio rentables.

Desarrollar fuentes de luz no clásicas que puedan emitir, bajo demanda, exactamente un fotón a la vez es uno de los principales requisitos de las tecnologías cuánticas. Pero aunque la primera demostración de un "emisor de fotón único" o SPE se remonta a la década de 1970, su baja confiabilidad y eficiencia se ha interpuesto en el camino de cualquier uso práctico significativo.

Las fuentes de luz convencionales, como las bombillas incandescentes o los LED, emiten montones de fotones a la vez. En otras palabras, su probabilidad de emitir un solo fotón a la vez es muy baja. Las fuentes láser pueden emitir flujos de fotones individuales, pero no bajo demanda, lo que significa que, a veces, no se emitirán fotones en absoluto cuando queramos.

Entonces, la principal ventaja de los SPE es que pueden hacer ambas cosas:emitir un solo fotón y hacerlo bajo demanda o, en términos más técnicos, su pureza de un solo fotón, que pueden mantener en un marco de tiempo ultrarrápido. Por lo tanto, para que una fuente de luz califique como SPE, debe tener una pureza de un solo fotón superior al 50 %; por supuesto, cuanto más cerca del 100 %, más cerca estaremos de un SPE ideal.

Los investigadores de la EPFL, dirigidos por el profesor Nicolas Grandjean, ahora han desarrollado SPE "brillantes y puros" basados ​​en puntos cuánticos de semiconductores de banda ancha amplia cultivados en sustratos de silicio rentables.

Los puntos cuánticos están hechos de nitruro de galio y nitruro de aluminio (GaN/AlN) y cuentan con una pureza de fotón único del 95 % a temperaturas criogénicas, a la vez que mantienen una excelente resiliencia a temperaturas más altas, con una pureza del 83 % a temperatura ambiente.

El SPE también muestra tasas de emisión de fotones de hasta 1 MHz mientras mantiene una pureza de un solo fotón superior al 50 %. "Tal brillo hasta la temperatura ambiente es posible debido a las propiedades electrónicas únicas de los puntos cuánticos de GaN/AlN, que preservan la pureza de un solo fotón debido a la superposición espectral limitada con la excitación electrónica vecina competidora", dice Stachurski, Ph.D. . estudiante que investigó estos sistemas cuánticos.

"Una característica muy atractiva de los puntos cuánticos de GaN/AlN es que pertenecen a la familia de semiconductores de nitruro III, es decir, los que están detrás de la revolución de la iluminación de estado sólido (LED azules y blancos), cuya importancia fue reconocida por el premio Nobel de Física en 2014. ”, afirman los investigadores. "Hoy en día es la segunda familia de semiconductores en términos de mercado de consumo después del silicio que domina la industria microelectrónica. Como tal, los nitruros III se benefician de una plataforma tecnológica sólida y madura, lo que los hace de gran interés potencial para el desarrollo de aplicaciones cuánticas. ."

Un paso futuro importante será ver si esta plataforma puede emitir un fotón y solo uno por pulso de láser, lo cual es un requisito previo esencial para determinar su eficiencia.

"Dado que nuestras excitaciones electrónicas exhiben tiempos de vida a temperatura ambiente tan cortos como 2 a 3 mil millonésimas de segundo, las tasas de fotones individuales de varias decenas de MHz podrían estar al alcance", afirman los autores. "Combinada con la excitación por láser resonante, que se sabe que mejora significativamente la pureza de un solo fotón, nuestra plataforma de puntos cuánticos podría ser de interés para implementar la distribución de claves cuánticas a temperatura ambiente basada en un verdadero SPE, a diferencia de los sistemas comerciales actuales que funcionan con fuentes láser atenuadas".

La investigación se publicó en Light:Science &Applications . + Explora más

La fuente de fotón único allana el camino para el cifrado cuántico práctico