Les technologies quantiques exigent la perfection: un photon à la fois, à chaque fois, le tout avec la même énergie. Même de minuscules écarts dans le nombre ou l'énergie des photons peuvent faire dérailler les appareils, menaçant les performances des ordinateurs quantiques qui pourraient un jour constituer un Internet quantique.
Bien que ce niveau de précision soit difficile à réaliser, les ingénieurs universitaires du Nord-Ouest ont développé une nouvelle stratégie qui rend les sources de lumière quantique, qui dispensent des photons uniques, plus cohérents, précis et fiables.
Dans une nouvelle étude, l'équipe a enduit un semi-conducteur atomiquement mince (désélénide de tungstène) avec une molécule organique en forme de feuille appelée PTCDA. Le revêtement a transformé le comportement du désélénide de tungstène – en train de faire des signaux bruyants en rafales propres de photons uniques. Non seulement le revêtement a augmenté la pureté spectrale des photons de 87%, mais il a également changé la couleur des photons de manière contrôlée et a abaissé l'énergie d'activation des photons, le tout sans modifier les propriétés semi-conductrices sous-jacentes du matériau.
Le travail apparaît dans Avancées scientifiques.
La méthode simple et évolutive pourrait ouvrir la voie à des technologies quantiques fiables et efficaces pour les communications sécurisées et les capteurs ultra-précis.
« Lorsqu'il y a des défauts, tels que les atomes manquants, dans le désélénide de tungstène, le matériel peut émettre des photons uniques », a déclaré Mark C. Hersam de Northwestern, l'auteur correspondant de l'étude. « Mais ces points d'émission de photons uniques sont extrêmement sensibles à tous les contaminants de l'atmosphère. Même l'oxygène dans l'air peut interagir avec ces émetteurs quantiques et changer leur capacité à produire des photons uniques identiques. Toute variabilité du nombre ou de l'énergie des photons émises limite les performances des technologies quantiques.
« En ajoutant une couche moléculaire très uniforme, nous protégeons les émetteurs à photons uniques contre les contaminants indésirables. »
Hersam est le président du Département de science des matériaux et de l'ingénierie et de Walter P. Murphy Professeur de sciences et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Il est également directeur du Material Research Science and Engineering Center et membre du comité exécutif de l'Institute for Quantum Information Research and Engineering.
Comme un distributeur automatique de particules, les sources d'éclairage quantique en libèrent une – et une seule – à la fois. Si une source émet plusieurs photons en même temps ou des photons d'énergies différentes, les conséquences peuvent être graves. Dans la communication quantique, par exemple, les photons supplémentaires limitent la cybersécurité. Dans la détection quantique, les photons d'énergies différentes peuvent réduire la précision.
Alors que ces technologies apparemment futuristes se rapprochent de la réalité, les chercheurs ont eu du mal à développer des sources de photons qui sont à la fois brillantes et pures – disant un photon identique, à la demande, à chaque fois.
Dans la nouvelle étude, Hersam et son équipe se sont concentrés sur le désélénide de tungstène semi-conducteur bidimensionnel, qui peut accueillir des défauts à l'échelle atomique qui émettent des photons individuels. Parce que le désélénide de tungstène est atomiquement mince, ses défauts et ses émetteurs sont en surface, les laissant exposés à des interactions indésirables avec les contaminants atmosphériques. Cette sensibilité à la variabilité des espèces atmosphériques aléatoires limite la fiabilité du désélénide de tungstène pour les opérations précises requises dans les dispositifs quantiques.
Pour surmonter ces problèmes, l'équipe de Hersam a enduit les deux côtés du désélénide de tungstène avec du PTCDA (dianhydride perylététracarboxylique), une molécule organique souvent trouvée dans les pigments et les colorants. L'équipe a déposé les molécules dans une chambre à vide une couche moléculaire à la fois, ce qui a assuré que le revêtement est resté uniforme. Le revêtement moléculaire a protégé la surface du désélénide de tungstène et de ses défauts émettriques quantiques, sans changer sa structure électronique centrale.
« C'est un revêtement moléculairement parfait, qui présente un environnement uniforme pour les sites d'émission de photons uniques », a déclaré Hersam. « En d'autres termes, le revêtement protège les émetteurs quantiques sensibles d'être corrompus par des contaminants atmosphériques. »
En protégeant le matériau des perturbations environnementales, le revêtement a considérablement amélioré la pureté spectrale des photons. Le revêtement a également fait passer les photons à une énergie plus faible, ce qui est avantageux dans les dispositifs de communication quantique. Le résultat est une sortie à photon unique plus contrôlée, reproductible et de qualité supérieure, ce qui est essentiel pour les technologies quantiques.
« Bien que le revêtement interagisse avec les défauts émettriques quantiques, il déplace l'énergie des photons de manière uniforme », a déclaré Hersam. « En revanche, lorsque vous avez un contaminant aléatoire interagissant avec un émetteur quantique, il déplace l'énergie de manière imprévisible. L'uniformité est la clé pour obtenir la reproductibilité dans les appareils quantiques. »
Ensuite, le groupe de Hersam prévoit d'étudier d'autres matériaux semi-conducteurs et d'explorer des revêtements moléculaires supplémentaires pour obtenir un contrôle supplémentaire sur les sites émettant des photons uniques. L'équipe prévoit également d'utiliser un courant électrique pour générer des émissions quantiques, ce qui facilitera le réseau d'ordinateurs quantiques dans un Internet quantique.
« La grande idée est que nous voulons passer des ordinateurs quantiques individuels aux réseaux quantiques, et finalement, un Internet quantique », a déclaré Hersam. « La communication quantique se produira en utilisant des photons uniques. Notre technologie aidera à construire des sources à photons uniques qui sont stables, accordables et évolutives – les composants essentiels pour faire de cette vision une réalité. »
