Más de 500 millones de fotones por segundo desde un solo punto
Contexto
Las fuentes deterministas de fotones individuales son los caballos de batalla de las tecnologías cuánticas fotónicas: desde la distribución cuántica de claves hasta la computación cuántica óptica. La capacidad de casi cualquier protocolo crece linealmente con la frecuencia de reloj de la fuente y disminuye exponencialmente con su ineficiencia. Junto a este trabajo, en el archivo hay estudios sobre fotones individuales provenientes de cavidades ópticas, chips de silicio y fábricas de fotones sincronizadas; todos compiten por velocidad y pureza, pero hasta ahora nadie había superado el umbral de medio gigahercio de flujo real en fibra. Este artículo demuestra que los puntos cuánticos en cristales fotónicos pueden operar al límite de su tiempo de vida sin perder eficiencia de sistema.
Métodos
Los pulsos láser se recortan de un láser continuo con ancho de línea inferior a 1 kHz mediante dos moduladores electroópticos en cascada de niobato de litio. Los moduladores se polarizan en el punto de transmisión mínima para maximizar la supresión del fondo, y la duración del pulso se ajusta entre 40 y 100 picosegundos. La frecuencia de reloj la establece una matriz de puertas programable (FPGA) que controla un generador de pulsos. Estos pulsos excitan resonánticamente un excitón neutro en un punto cuántico de InAs/GaAs integrado en una guía de ondas de cristal fotónico. Es importante que en el esquema de recolección no se incluye deliberadamente ningún filtro espectral: se mide toda la luz emitida, incluida el ala fonónica. La intensidad se verificó mediante oscilaciones de Rabi, registradas con un medidor comercial de potencia óptica.
Resultados
Al excitar a frecuencias de 80 MHz, 500 MHz y 1 GHz, la fuente muestra una caída monoexponencial con un tiempo de vida de 220 picosegundos. La pureza de los fotones individuales, evaluada mediante la autocorrelación de segundo orden g(2)(0), fue de 3.98%, 3.63% y 11.13% respectivamente, sin filtrado espectral. La visibilidad de la interferencia de dos fotones de Hong-Ou-Mandel alcanzó 81.83%, 80.87% y 55.14% en las mismas condiciones. Al añadir filtros a 80 MHz, la pureza mejoró hasta g(2)(0)=2.80% y la visibilidad hasta 92.30%, a costa de perder un 12% de luz. La potencia óptica con pulso π fue de 9.57 pW, 57.3 pW y 110 pW, lo que corresponde a una eficiencia de sistema del 56.2%, 53.8% y 51.5%. A 1 GHz, el flujo de fotones individuales en la fibra alcanzó 515 MHz, un récord para fuentes de estado sólido.
Implicaciones
Este trabajo se distingue de investigaciones vecinas porque por primera vez combina excitación a gigahercios con una eficiencia de sistema superior al 50% y, además, mide el flujo directamente a través de la potencia óptica, no mediante el conteo de fotones. Los trabajos adyacentes sobre fotones individuales de cavidades y chips de silicio se centran en la pureza o la integración, pero no logran esa combinación de velocidad y rendimiento útil en fibra. Aquí se muestra un límite práctico: un punto cuántico en un cristal fotónico puede emitir fotones a una frecuencia limitada solo por el tiempo de vida del excitón, sin que la eficiencia caiga por debajo de la mitad.
Desarrollo futuro
El siguiente paso lógico será reducir el tiempo de vida del emisor para elevar la frecuencia de reloj por encima de 1 GHz sin superposición de pulsos. Otra vía es demultiplexar el flujo en varios modos espaciales para experimentos con múltiples fotones. También es posible integrar la fuente con conmutadores rápidos para crear estados de clúster. La aplicación metrológica como estándar de potencia óptica también parece prometedora, ya que la potencia está directamente relacionada con el número de fotones y la frecuencia.
Impacto
El resultado afecta directamente a la velocidad de la distribución cuántica de claves, donde cada fotón perdido reduce el alcance y la seguridad. También acelera la computación cuántica óptica lineal y el aprendizaje automático potenciado cuánticamente, que requieren un flujo de fotones indistinguibles.
Próximos pasos
La tarea más inmediata es probar la fuente en modo de varias horas a 1 GHz y medir la deriva de los parámetros. Luego, convendría intentar la demultiplexación en 4 a 8 canales para generar estados de múltiples qubits.
Problemas abiertos clave
En óptica cuántica sigue abierto el problema de escalar las fuentes a miles de emisores idénticos en un chip. Este trabajo resuelve parte del desafío al mostrar que un solo emisor puede proporcionar un flujo suficiente para protocolos con un número moderado de fotones, pero para la computación universal todavía se necesitan conjuntos con alta homogeneidad.
La potencia óptica de 110 pW es tan diminuta que un puntero láser común de 1 mW emite 9 millones de veces más fotones por segundo. Aun así, se puede medir con un instrumento comercial en pocos segundos.
Cifras clave
- flujo de fotones individuales: 515 MHz
- potencia óptica: 110 pW
- tiempo de vida del excitón: 220 ps
- eficiencia del sistema: 51.5%
- visibilidad HOM sin filtro: 55.14%