Un groupe de recherche photonique co-dirigé par Gregor Weihs de l'Université d'Innsbruck a développé une nouvelle technique pour générer des états multi-photons à partir de points quantiques qui surmontent les limites des approches conventionnelles. Cela a des applications immédiates dans les protocoles de distribution de clés quantiques sécurisés, où il peut permettre une communication sécurisée simultanée avec différentes parties.
Les points quantiques – les nanostructures séparantes qui peuvent émettre des photons uniques à la demande – sont considérés parmi les sources les plus prometteuses pour l'informatique quantique photonique. Cependant, chaque point quantique est légèrement différent et peut émettre une couleur légèrement différente. Cela signifie que pour produire des états multi-photos, nous ne pouvons pas utiliser plusieurs points quantiques.
Habituellement, les chercheurs utilisent un seul point quantique et multiplexe l'émission dans différents modes spatiaux et temporels, en utilisant un modulateur électro-optique rapide. Le défi technologique est que les modulateurs électro-optiques plus rapides sont coûteux et nécessitent souvent une ingénierie très personnalisée. Pour ajouter à cela, ils peuvent ne pas être très efficaces, ce qui introduit des pertes indésirables dans le système.
L'équipe de recherche internationale, co-dirigée par Vikas Remesh du groupe photonique du Département de physique expérimentale de l'Université d'Innsbruck et impliquant des chercheurs de l'Université de Cambridge, de l'Université Johannes Kepler Linz et d'autres institutions, a maintenant démontré une solution élégante qui contourne ces limitations.
Leur approche utilise une technique purement optique appelée excitation stimulée à deux photons pour générer des flux de photons dans différents états de polarisation directement à partir d'un point quantique sans nécessiter de composants de commutation actifs. L'équipe a démontré sa technique en générant des états à deux photons de haute qualité avec d'excellentes propriétés à photon unique.
Le travail apparaît dans Informations quantiques NPJ.
« La méthode fonctionne en excitant d'abord le point quantique avec des impulsions laser temporellement chronométrées pour créer un état biexciton, suivi des impulsions de stimulation contrôlée par la polarisation qui déclenchent de manière déterministe l'émission de photons dans les premiers auteurs de la polarisation Yusuf Karli et Iker, les premiers auteurs de l'étude.
« Ce fut une expérience fantastique pour moi de travailler dans le groupe photonique pour ma thèse de maîtrise », explique Iker Avila Arenas, qui faisait partie de la cohorte 2022-2024 du programme de maîtrise conjoint Erasmus Mundus en fiabilité et sécurité de sécurité et a passé six mois à Innsbruck.
« Ce qui rend cette approche particulièrement élégante, c'est que nous avons déplacé la complexité des composants électroniques coûteux et inducteurs de perte après l'émission de photons uniques au stade d'excitation optique, et il s'agit d'un pas en avant significatif dans la rendez-vous des sources de points quantiques plus pratiques pour les applications du monde réel », note Remesh, le chercheur principal de l'étude.
Pour l'avenir, les chercheurs envisagent de prolonger la technique pour générer des photons avec des états de polarisation linéaire arbitraires en utilisant des points quantiques spécialement conçus.
« L'étude a des applications immédiates dans des protocoles de distribution de clés quantiques sécurisés, où plusieurs flux de photons indépendants peuvent permettre une communication sécurisée simultanée avec différentes parties, et dans des expériences d'interférence multi-photon qui sont très importantes pour tester même les principes fondamentaux de la mécanique quantique », explique Weihs, chef du groupe de recherche photonique dans le buck.
La recherche représente un effort de collaboration impliquant une expertise dans l'optique quantique, la physique des semi-conducteurs et l'ingénierie photonique.
