Le laser claque à une fréquence de dix millions de fois par seconde, et chaque clic éjecte du film de polystyrène exactement un photon. Pas un faisceau, pas un paquet, mais une unique particule de lumière, soigneusement emballée dans l'espace et le temps. La source est une molécule que l'on peut acheter dans un catalogue de réactifs chimiques : le fullerène C60, soixante atomes de carbone repliés en ballon de football. Ce même ballon pour la synthèse duquel on a décerné le prix Nobel de chimie en 1996. Aujourd'hui, il joue un autre jeu.

Jusqu'à récemment, on pensait que pour émettre des photons uniques, il fallait soit des températures cryogéniques et des hétérostructures semi-conductrices complexes, soit des points quantiques colloïdaux qui scintillent et se dégradent. Les travaux des physiciens barcelonais brisent cette image familière. Ils ont dissous du C60 commercial dans du toluène avec du polystyrène, déposé une goutte sur un substrat d'or et l'ont étalée à 4000 tours par minute. On obtient un film dans lequel les molécules individuelles de fullerène sont isolées les unes des autres, comme des ballons dans une immense salle vide. Ensuite, excitation par laser à une longueur d'onde de 405 nm et détection de la lumière émise dans un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss. Cet appareil mesure si les photons arrivent par paires ou strictement un par un.

La grandeur clé est la fonction de corrélation du second ordre g(2)(0). Si elle est inférieure à 0,5, les photons n'arrivent pas par paires : la source est unique. Pour les films barcelonais, sous excitation continue, g(2)(0) = 0,304 ± 0,024. Sous excitation pulsée à 10 MHz, elle est de 0,308 ± 0,024. Cela signifie que les photons sont émis sur commande, avec une pureté suffisante pour la cryptographie quantique. La durée de vie de l'exciton, c'est-à-dire l'état excité de la molécule avant l'émission, s'est avérée être d'environ 4,5 nanosecondes, avec une dispersion de 3 à 27 ns selon l'environnement local. Le scintillement, c'est-à-dire la commutation aléatoire entre un état brillant et un état sombre, suit une loi de puissance avec un exposant α = 0,369. Cela indique une dynamique complexe à plusieurs niveaux, et non un simple modèle à trois niveaux.

D'où vient la lumière ? Le C60 pur n'émet presque pas : sa haute symétrie interdit les transitions optiques. Mais sous l'effet de la lumière et de l'oxygène, des atomes d'oxygène se fixent à la molécule, brisant la symétrie et autorisant les transitions. Ainsi, le spectre d'émission avec un pic à 620 nm s'explique par la photo-oxydation du C60, c'est-à-dire la formation de C60On. C'est à la fois une malédiction et une bénédiction. D'un côté, l'oxydation rend la molécule brillante. De l'autre, elle introduit instabilité et scintillement. Le contrôle du degré d'oxydation est la clé pour des sources stables.

L'utilité pratique est évidente. Les communications quantiques exigent des sources de photons uniques qui fonctionnent à température ambiante, qui soient peu coûteuses et évolutives. Ici, pas besoin d'installations cryogéniques ni de nanofabrication complexe. La courte durée de vie de l'exciton promet un taux de génération de photons élevé. Mais le scintillement et la dispersion des durées de vie montrent que les molécules sont sensibles à l'environnement. La prochaine étape est la modification chimique des fullerènes, par exemple l'ajout de groupes fonctionnels, pour supprimer le scintillement et resserrer la distribution des durées de vie. L'intégration dans des résonateurs optiques accélérera l'émission et améliorera l'efficacité de collecte des photons.

Le ballon de football qui émet exactement un photon sur commande n'est plus une métaphore, mais un élément fonctionnel des futurs réseaux quantiques. Le même C60 qui a autrefois étonné les chimistes par sa symétrie étonne aujourd'hui les physiciens par sa capacité à servir de source de lumière quantique. Le jeu ne fait que commencer.