Un demi-milliard de photons par seconde depuis un point unique
Contexte
Les sources déterministes de photons uniques sont les chevaux de trait des technologies quantiques photoniques : de la distribution quantique de clés au calcul optique quantique. Le débit de presque tout protocole croît linéairement avec la fréquence d'horloge de la source et décroît exponentiellement avec son inefficacité. À côté de ces travaux, les archives contiennent des études sur des photons uniques issus de cavités optiques, de puces en silicium et d'usines à photons synchronisées ; toutes luttent pour la vitesse et la pureté, mais jusqu'à présent personne n'avait franchi le seuil d'un demi-gigahertz de flux réel dans une fibre. Cet article montre que les boîtes quantiques dans les cristaux photoniques peuvent fonctionner à la limite de leur durée de vie sans perdre en efficacité système.
Méthodes
Des impulsions laser sont découpées dans un laser continu dont la largeur de raie est inférieure à 1 kHz, à l'aide de deux modulateurs électro-optiques en cascade sur niobate de lithium. Les modulateurs sont polarisés au point de transmission minimale pour une suppression maximale du fond, et la durée des impulsions est réglée de 40 à 100 picosecondes. La fréquence d'horloge est fixée par une matrice de portes programmable (FPGA) qui pilote un générateur d'impulsions. Ces impulsions excitent en résonance un exciton neutre dans une boîte quantique InAs/GaAs intégrée dans un guide d'ondes à cristal photonique. Il est important de noter que le schéma de collection ne comporte volontairement aucun filtre spectral : toute la lumière émise est mesurée, y compris l'aile phononique. L'intensité a été vérifiée via les oscillations de Rabi, mesurées avec un puissancemètre optique commercial.
Résultats
Lors d'une excitation à 80 MHz, 500 MHz et 1 GHz, la source présente une décroissance mono-exponentielle avec une durée de vie de 220 picosecondes. La pureté des photons uniques, évaluée par l'autocorrélation du second ordre g(2)(0), est de 3,98 %, 3,63 % et 11,13 % respectivement, sans filtrage spectral. La visibilité de l'interférence à deux photons de Hong-Ou-Mandel atteint 81,83 %, 80,87 % et 55,14 % dans les mêmes conditions. Avec l'ajout de filtres à 80 MHz, la pureté s'améliore jusqu'à g(2)(0) = 2,80 % et la visibilité jusqu'à 92,30 %, au prix d'une perte de 12 % de lumière. La puissance optique pour une impulsion π est de 9,57 pW, 57,3 pW et 110 pW, ce qui correspond à une efficacité système de 56,2 %, 53,8 % et 51,5 %. À 1 GHz, le flux de photons uniques dans la fibre atteint 515 MHz, un record pour les sources à l'état solide.
Implications
Ce travail se distingue des études voisines en ce qu'il combine pour la première fois une excitation à 1 GHz avec une efficacité système supérieure à 50 %, et mesure le flux directement par la puissance optique plutôt que par comptage de photons. Les travaux voisins sur les photons uniques issus de cavités et de puces en silicium se concentrent sur la pureté ou l'intégration, mais n'atteignent pas une telle combinaison de vitesse et de rendement utile dans une fibre. Ici, une limite pratique est démontrée : une boîte quantique dans un cristal photonique peut émettre des photons à une fréquence limitée uniquement par la durée de vie de l'exciton, sans que l'efficacité ne descende sous la moitié.
Développements futurs
La prochaine étape logique consistera à réduire la durée de vie de l'émetteur afin d'augmenter la fréquence d'horloge au-delà de 1 GHz sans chevauchement des impulsions. Une autre voie est le démultiplexage du flux vers plusieurs modes spatiaux pour des expériences multiphotoniques. L'intégration de la source avec des commutateurs rapides pour créer des états cluster est également envisageable. L'application métrologique comme étalon de puissance optique semble prometteuse, car la puissance est directement liée au nombre de photons et à la fréquence.
Impact
Ce résultat affecte directement le débit de la distribution quantique de clés, où chaque photon perdu réduit la portée et la sécurité. Il accélère également le calcul optique quantique linéaire et l'apprentissage automatique quantique, qui nécessitent un flux de photons indiscernables.
Prochaines étapes
La tâche immédiate est de vérifier le fonctionnement de la source en régime de plusieurs heures à 1 GHz et de mesurer la dérive des paramètres. Ensuite, il faudra tenter le démultiplexage sur 4 à 8 canaux pour générer des états multi-qubits.
Problèmes ouverts clés
En optique quantique, le problème de la mise à l'échelle des sources vers des milliers d'émetteurs identiques sur une puce reste ouvert. Ce travail résout une partie du problème en montrant qu'un seul émetteur peut fournir un flux suffisant pour des protocoles à nombre modéré de photons, mais pour le calcul universel, des réseaux à haute uniformité sont toujours nécessaires.
La puissance optique de 110 pW est si faible qu'un pointeur laser ordinaire de 1 mW émet 9 millions de fois plus de photons par seconde. Pourtant, on peut la mesurer avec un appareil commercial en quelques secondes.
Chiffres clés
- flux de photons uniques: 515 MHz
- puissance optique: 110 pW
- durée de vie de l'exciton: 220 ps
- efficacité système: 51.5%
- visibilité HOM sans filtre: 55.14%