Per decollare davvero, l'elaborazione avanzata delle informazioni quantistiche richiederà una migliore comprensione (sperimentale) di un fenomeno essenziale chiamato "fotoni indistinguibili". Un alto grado di "indistinguibilità" richiede una sovrapposizione quasi completa dei pacchetti d'onda, o perfetto abbinamento di fotoni, di energia, spazio, tempo e polarizzazione.

Mentre molti tipi di emettitori a singolo fotone come i punti quantici a semiconduttore hanno già dimostrato la generazione di fotoni indistinguibili, un gruppo di ricercatori dell'Università di Tsukuba e dell'Istituto nazionale giapponese per la scienza dei materiali ha cercato di utilizzare un centro di impurità di azoto trovato nei semiconduttori composti III-V come una nuova fonte di fotoni singoli. Riportano i loro risultati questa settimana sul giornale Lettere di fisica applicata .

Centri di luminescenza di azoto all'interno di semiconduttori composti III-V, composto da elementi nelle colonne III e IV della tavola periodica come GaAs, mostrano uno spettro di emissione nitido corrispondente a uno stato energetico noto come "trappola isoelettronica". La generazione di un singolo fotone da queste trappole isoelettroniche è altamente desiderabile a causa dell'omogeneità che fornisce, emettendo fotoni da più centri con la stessa energia.

"I nostri studi hanno confermato che le trappole isoelettroniche hanno davvero un lungo tempo di coerenza, che è una delle condizioni necessarie per creare un fotone indistinguibile, " disse Michio Ikezawa, professore associato presso Pure and Applied Sciences, Università di Tsukuba.

Per lo studio, il gruppo ha prima valutato l'indistinguibilità dei fotoni emessi da un centro di luminescenza in GaAs drogato con azoto delta mediante interferenza di due fotoni. Hanno anche studiato la sua dipendenza dal tempo, che ha rivelato importanti informazioni sulla scala temporale della decoerenza (detto in altro modo, quando il sistema quantistico si offusca e mostra il comportamento dello stato classico) che può essere difficile da ottenere con altri metodi.

Per questo lavoro, il "centro di emissione" che funge da trappola isoelettronica è formato dall'impurità all'interno del GaAs dove l'azoto ha sostituito l'arsenico. "Quando il campione è fotoeccitato, ogni trappola può catturare una coppia elettrone-lacuna ed emettere un singolo fotone per ricombinazione radiativa di essi, " disse Ikezawa.

Queste impurità di azoto vengono quindi "drogate all'interno di uno strato bidimensionale molto sottile mediante la cosiddetta tecnica delta-drogaggio durante la crescita della deposizione di vapore chimico organico metallico, " ha detto Ikezawa. "Utilizzando questa tecnica, un singolo centro di luminescenza può essere selezionato con un microscopio ottico convenzionale."

Misurare l'indistinguibilità ha offerto una visione sorprendente. "L'indistinguibilità era 0,24, che era indipendente dall'intervallo di tempo compreso tra 2 e 4 nanosecondi, " Ha detto Ikezawa. "Questo è stato in qualche modo sorprendente rispetto ai precedenti studi sui punti quantici, e abbiamo concluso che c'è un meccanismo di sfasamento molto veloce entro 2 nanosecondi nel nostro campione".

I risultati del gruppo sono importanti non solo perché sono la prima dimostrazione di misurazione dell'interferenza di due fotoni di fotoni indistinguibili creati da centri di impurità nei semiconduttori III-IV, ma anche perché esplorano somiglianze e differenze con i tipici punti quantici per i meccanismi di decoerenza.

Per quanto riguarda le applicazioni, "I fotoni indistinguibili sono molto importanti per la tecnologia dell'informazione quantistica come il teletrasporto quantistico e il calcolo quantistico ottico lineare, " Ha detto Ikezawa. "Il nostro obiettivo è essere in grado di fornire molte sorgenti di fotoni che generano fotoni indistinguibili in una forma integrata in un chip semiconduttore".

Mentre i punti quantici dei semiconduttori sono stati studiati intensamente con obiettivi simili, "è difficile in linea di principio rendere uguale l'energia dei fotoni ottenuti da molti punti quantici in modo che siano indistinguibili l'uno dall'altro, Ikezawa ha detto. "L'indistinguibilità ottenuta questa volta non era abbastanza alta. Si pensa che sia causato dal meccanismo di rilassamento ad alta velocità che abbiamo segnalato, quindi un compito futuro sarà chiarire il meccanismo e trovare un metodo per sopprimerlo".