laboratoire pierre aigrain
électronique et photonique quantiques
 
laboratoire pierre aigrain
 

PUBLICATION

Pendant combien de temps les photons émis par une boîte quantique de semi-conducteurs restent-ils indiscernables ?


Un certain nombre de protocoles de traitement quantique de l’information nécessitent des sources lumineuses émettant des photons non seulement uniques mais aussi indiscernables, c’est-à-dire devant posséder exactement les mêmes caractéristiques spectrales, spatiales et de polarisation. Des techniques de cryptographie quantique utilisent par exemple comme sources de photons uniques des lasers fortement atténués mais la probabilité d’envoyer plusieurs photons en même temps n’étant pas nulle, la sécurité du transfert d’information est altérée. Dans ce contexte, les boîtes quantiques de semi-conducteurs qui émettent des photons un à un constituent d’excellents candidats au développement de telles sources à l’état solide, avec le grand avantage de pouvoir être intégrées dans des dispositifs sur puce. Néanmoins, l’émission des boîtes quantiques présente une certaine largeur spectrale qui rend les photons émis partiellement discernables au cours du temps. Un temps caractéristique de l’indiscernabilité est alors lié au temps de cohérence de l’émetteur qui est typiquement de l’ordre de quelques centaines de picosecondes dans les régimes usuels de fonctionnement, ce qui rend problématique l’utilisation de photo-détecteurs conventionnels dont les temps de réponse sont de l’ordre de la nanoseconde.

En s’appuyant sur l’analyse précise du profil temporel du phénomène de coalescence de photons, les chercheurs du Laboratoire Pierre Aigrain ont mesuré le temps pendant lequel deux photons émis à des instants distincts par une boîte quantique de semi-conducteurs peuvent être considérés comme indiscernables. Dans le régime spécifique de diffusion élastique résonnante où les photons sont diffusés un à un par la boîte en conservant les propriétés spectrales du laser d’excitation, des temps caractéristiques d’indiscernabilité de plus d’une dizaine de nanosecondes peuvent être obtenus et contrôlés en variant tout simplement la largeur spectrale du laser d’excitation. Ceci ouvre notamment la voie à l’utilisation de boîtes quantiques comme sources de photons uniques indiscernables pour des applications en optique quantique avec des détecteurs conventionnels.

Ces travaux on fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters en 2015.

Illustration : montage expérimental utilisé pour l’excitation résonnante d’une boîte quantique de semi-conducteurs dans le but de générer des photons uniques indiscernables.