Emettre des photons uniques pour les technologies quantiques

Le développement de sources lumineuses non traditionnelles capables d’émettre, à la demande, exactement un photon à la fois est l’une des principales exigences des technologies quantiques. La première démonstration d’un tel «émetteur de photons uniques» ou SPE date des années 1970. Pourtant, leur fiabilité et leur efficacité limitées ont freiné toute utilisation pratique significative.

Les sources de lumière conventionnelles, comme les ampoules à incandescence ou les LED, émettent des paquets de photons. Autrement dit, leur probabilité d’émettre un seul photon à la fois est très faible. Les sources laser peuvent émettre des flux de photons uniques, mais pas à la demande, ce qui veut dire que, parfois, aucun photon ne sera émis au moment souhaité.

Le principal atout des SPE est qu’ils combinent ces deux avantages : émettre un seul photon et le faire à la demande. En d’autres termes, leur capacité à émettre des photons uniques est particulièrement élevée et ils peuvent la maintenir à un rythme ultrarapide. Ainsi, pour qu’une source lumineuse puisse être qualifiée de SPE, elle doit émettre des photons uniques dans une proportion supérieure à 50%. Bien évidemment, plus on s’approche des 100%, plus on obtient un SPE idéal.

Sous la direction du professeur Nicolas Grandjean, des chercheuses et chercheurs de l’EPFL ont développé des SPE «lumineux et purs» basés sur des boîtes quantiques à semi-conducteur à large bande interdite synthétisées sur des substrats bas coût de silicium.

Les boîtes quantiques sont constituées de nitrure de gallium et de nitrure d’aluminium (GaN/AlN). Ces dernières se distinguent par une proportion de photons uniques émis de 95% à des températures cryogéniques, tout en conservant une excellente résistance à des températures plus élevées, avec une proportion de 83% à température ambiante.

Le SPE présente également des taux d’émission de photons allant jusqu’à 1 MHz tout en maintenant une proportion de photons uniques émis supérieure à 50%. «Une telle luminosité jusqu’à la température ambiante est possible grâce aux propriétés électroniques uniques des boîtes quantiques GaN/AlN, qui préservent la part significative de photons uniques émis en raison du recouvrement spectral limité avec l’état électronique voisin», explique le doctorant Johann Stachurski, qui a étudié ces systèmes quantiques.

«Une caractéristique très intéressante des boîtes quantiques GaN/AlN est qu’elles appartiennent à la famille des semi-conducteurs de type nitrures d’éléments III. Cette famille est à l’origine de la révolution de l’éclairage à l’état solide (LED bleues et blanches) dont l’importance a été primée par le prix Nobel de physique en 2014», précisent les chercheurs. «Aujourd’hui, c’est la deuxième famille de semi-conducteurs en termes de marché grand public juste après le silicium qui domine l’industrie microélectronique. À ce titre, les nitrures d’éléments III bénéficient d’une plateforme technologique solide et mature, ce qui leur confère un potentiel élevé pour le développement d’applications quantiques.»

Une prochaine étape importante consistera à voir si cette plateforme peut émettre un seul photon par impulsion laser, ce qui est une condition essentielle pour déterminer son efficacité.

«Étant donné que nos excitations électroniques ont des durées de vie à température ambiante aussi courtes que 2 à 3 milliardièmes de seconde, des flux de photons uniques de plusieurs dizaines de MHz pourraient être atteints», déclarent les auteurs. «Combinée à l’excitation laser résonante, connue pour améliorer considérablement la fraction de photons uniques émis, ces boîtes quantiques pourrait permettre la mise en œuvre de plateformes pour la cryptographie quantique à température ambiante basée sur un véritable SPE, contrairement aux systèmes commerciaux actuels qui fonctionnent avec des sources laser atténuées.»