Fuente de fotones individuales de puntos cuánticos

Una fuente de fotones individuales de punto cuántico se basa en un único punto cuántico colocado en una cavidad óptica . Es una fuente de fotones individuales bajo demanda. Un pulso láser puede excitar un par de portadores, conocidos como excitones, en el punto cuántico. La desintegración de un único excitón debido a la emisión espontánea produce la emisión de un único fotón. Debido a las interacciones entre excitones, la emisión cuando el punto cuántico contiene un único excitón es energéticamente distinta de la que se produce cuando el punto cuántico contiene más de un excitón. Por lo tanto, un único excitón puede crearse de forma determinista mediante un pulso láser, y el punto cuántico se convierte en una fuente de luz no clásica que emite fotones uno a uno, mostrando así antibunching de fotones . La emisión de fotones individuales puede comprobarse midiendo la función de correlación de intensidad de segundo orden . La tasa de emisión espontánea de los fotones emitidos puede incrementarse integrando el punto cuántico en una cavidad óptica . Además, la cavidad permite la emisión en un modo óptico bien definido, aumentando la eficiencia de la fuente de fotones.

Con el creciente interés en la ciencia de la información cuántica desde principios del siglo XXI, la investigación en diferentes tipos de fuentes de fotones individuales ha ido en aumento. Las primeras fuentes de fotones individuales, como las fuentes de fotones anunciados ^{[ 1 ]} que se reportaron por primera vez en 1985, se basan en procesos no deterministas. Las fuentes de fotones individuales de puntos cuánticos son a demanda. Una fuente de fotones individuales basada en un punto cuántico en una estructura de microdisco se reportó en 2000. ^{[ 2 ]} Posteriormente, las fuentes se integraron en diferentes estructuras, como cristales fotónicos ^{[ 3 ]} o micropilares. ^{[ 4 ]} La adición de reflectores de Bragg distribuidos (DBR) permitió la emisión en una dirección bien definida y aumentó la eficiencia de emisión. ^{[ 5 ]} La mayoría de las fuentes de fotones individuales de puntos cuánticos necesitan funcionar a temperaturas criogénicas , lo que aún representa un desafío técnico. ^{[ 5 ]} El otro desafío es lograr fuentes de fotones individuales de puntos cuánticos de alta calidad en la longitud de onda de telecomunicaciones para aplicaciones de telecomunicaciones por fibra óptica. ^{[ 6 ]} El primer informe sobre la emisión de fotones individuales mejorada por Purcell de un punto cuántico de longitud de onda de telecomunicaciones en una cavidad de cristal fotónico bidimensional con un factor de calidad de 2000 muestra mejoras de la tasa de emisión y la intensidad en cinco y seis veces, respectivamente. ^{[ 7 ]}

La excitación de un electrón en un semiconductor desde la banda de valencia a la banda de conducción crea un estado excitado , denominado excitón . La desintegración radiativa espontánea de este excitón produce la emisión de un fotón. Dado que un punto cuántico posee niveles de energía discretos, se puede lograr que nunca haya más de un excitón simultáneamente en su interior. Por lo tanto, el punto cuántico es un emisor de fotones individuales. Un desafío clave para crear una buena fuente de fotones individuales es asegurar la recolección eficiente de la emisión del punto cuántico. Para ello, el punto cuántico se coloca en una cavidad óptica . Esta cavidad puede consistir, por ejemplo, en dos reflectores de Bragg distribuidos (DBR) en un micropilar (Fig. 1). La cavidad mejora la emisión espontánea en un modo óptico bien definido ( efecto Purcell ), facilitando la guía eficiente de la emisión hacia una fibra óptica. Además, se reduce la vida útil del excitón.${\displaystyle \Delta t}$(véase la figura 2) reduce la importancia del ensanchamiento de la línea debido al ruido.

El sistema puede aproximarse mediante el modelo de Jaynes-Cummings . En este modelo, el punto cuántico interactúa únicamente con un modo de la cavidad óptica. La frecuencia de este modo óptico está bien definida. Esto hace que los fotones sean indistinguibles si su polarización se alinea mediante un polarizador . La solución del hamiltoniano de Jaynes-Cummings es una oscilación de Rabi en el vacío . Una oscilación de Rabi en el vacío de un fotón que interactúa con un excitón se conoce como excitón-polaritón .

Para eliminar la probabilidad de la emisión simultánea de dos fotones, debe asegurarse de que solo puede haber un excitón en la cavidad a la vez. Los estados de energía discretos en un punto cuántico permiten solo una excitación. Además, el bloqueo de Rydberg impide la excitación de dos excitones en el mismo espacio... ^{[ 8 ]} La interacción electromagnética con el excitón ya existente cambia ligeramente la energía para crear otro excitón en el mismo espacio. Si la energía del láser de bombeo está sintonizada en resonancia, el segundo excitón no puede crearse. Aun así, hay una pequeña probabilidad de tener dos excitaciones en el punto cuántico al mismo tiempo. Dos excitones confinados en un pequeño volumen se llaman biexcitones . Interactúan entre sí y, por lo tanto, cambian ligeramente su energía. Los fotones resultantes de la desintegración de biexcitones tienen una energía diferente a la de los fotones resultantes de la desintegración de excitones. Se pueden filtrar haciendo pasar el haz saliente a través de un filtro óptico . ^{[ 9 ]} Los puntos cuánticos pueden excitarse tanto eléctrica como ópticamente. ^{[ 5 ]} Para el bombeo óptico , se puede utilizar un láser pulsado para la excitación de los puntos cuánticos. Para tener la mayor probabilidad de crear un excitón, el láser de bombeo se sintoniza en resonancia. ^{[ 10 ]} Esto se asemeja a un${\displaystyle \pi }$-pulso en la esfera de Bloch . Sin embargo, de esta manera los fotones emitidos tienen la misma frecuencia que el láser de bombeo. Se necesita un polarizador para distinguirlos. ^{[ 10 ]} Como la dirección de polarización de los fotones de la cavidad es aleatoria, la mitad de los fotones emitidos son bloqueados por este filtro.

Existen diversas maneras de crear un sistema de cavidad de puntos cuánticos que pueda funcionar como fuente de fotones individuales. Las estructuras de cavidad típicas son micropilares, cavidades de cristal fotónico o microcavidades sintonizables. Dentro de la cavidad, se pueden utilizar diferentes tipos de puntos cuánticos. El tipo más utilizado son los puntos cuánticos de InAs autoensamblados, cultivados mediante el método de Stranski-Krastanov , pero también se han empleado otros materiales y métodos de crecimiento, como el grabado local de gotas ^{[ 11 ] [ 12 ]} . A continuación se muestra una lista de diferentes implementaciones experimentales:

• Micropilares: En este enfoque, los puntos cuánticos se cultivan entre dos reflectores de Bragg distribuidos (espejos DBR). Los DBR se cultivan típicamente mediante epitaxia de haces moleculares (MBE). Para los espejos, se cultivan dos materiales con diferentes índices de refracción en orden alterno. Sus parámetros de red deben coincidir para evitar la tensión. Una posible combinación es una combinación de capas de arseniuro de aluminio y arseniuro de galio . ^{[ 10 ] [ 13 ]} Después del primer DBR, se utiliza un material con una banda prohibida más pequeña para cultivar el punto cuántico sobre el primer DBR. La segunda capa de DBR se puede cultivar ahora sobre la capa con los puntos cuánticos. El diámetro del pilar es de solo unas pocas micras. Para evitar que el modo óptico salga de la cavidad, el micropilar debe actuar como una guía de onda. Los semiconductores suelen tener índices de refracción relativamente altos, alrededor de n≅3. ^{[ 14 ]} Por lo tanto, su cono de extracción es pequeño. En una superficie lisa, el micropilar funciona como una guía de onda casi perfecta. Sin embargo, las pérdidas aumentan con la rugosidad de las paredes y la disminución del diámetro del micropilar. ^{[ 15 ]} Por lo tanto, los bordes deben ser lo más lisos posible para minimizar las pérdidas. Esto se puede lograr estructurando la muestra con litografía de haz de electrones y procesando los pilares con grabado iónico reactivo . ^{[ 9 ]}

• Las microcavidades sintonizables que albergan puntos cuánticos también pueden usarse como fuente de fotones individuales. ^{[ 16 ] [ 17 ]} A diferencia de los micropilares, solo se cultiva un único DBR debajo de los puntos cuánticos. La segunda parte de la cavidad es un espejo superior curvo que está físicamente separado del semiconductor . El espejo superior puede moverse con respecto a la posición del punto cuántico, lo que permite sintonizar el acoplamiento de la cavidad con el punto cuántico según sea necesario. Una ventaja adicional sobre los micropilares es que el entorno de carga de los puntos cuánticos puede estabilizarse mediante el uso de estructuras de diodo . ^{[ 18 ]} Una desventaja del sistema de microcavidad es que requiere componentes mecánicos adicionales para sintonizar la cavidad, lo que aumenta el tamaño total del sistema.

• Microlentes y lentes de inmersión sólida : Para aumentar el brillo de una fuente de fotones individuales de puntos cuánticos, también se han utilizado estructuras de microlentes. ^{[ 19 ]} El concepto es reducir las pérdidas debidas a la reflexión interna total, de forma similar a lo que se puede lograr con una lente de inmersión sólida. ^{[ 20 ]}

• Otras fuentes de fotones individuales son las guías de onda de nanohaz o de cristal fotónico ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} que contienen puntos cuánticos. Para tales estructuras, no se necesitan DBR, pero pueden usarse para mejorar la eficiencia de acoplamiento de salida. En comparación con los micropilares, esta arquitectura tiene la ventaja de que es posible el enrutamiento de fotones en el chip. ^{[ 24 ]} Por otro lado, los tamaños de las estructuras son mucho más pequeños, lo que requiere técnicas de nanofabricación más avanzadas. La proximidad de los puntos cuánticos a la superficie representa un desafío adicional.

Las fuentes de fotones individuales son de gran importancia en la ciencia de la comunicación cuántica. Se pueden utilizar para generar números aleatorios verdaderos. ^{[ 5 ]} Los fotones individuales que entran en un divisor de haz presentan una indeterminación cuántica inherente . Los números aleatorios se utilizan ampliamente en simulaciones que emplean el método de Monte Carlo .

Además, las fuentes de fotones individuales son esenciales en la criptografía cuántica . El esquema BB84 ^{[ 28 ]} es un esquema de distribución de claves cuánticas con seguridad demostrable . Funciona con una fuente de luz que emite perfectamente un solo fotón a la vez. Gracias al teorema de no clonación ^{[ 29 ]} , no se puede interceptar la comunicación sin ser detectado. El uso de aleatoriedad cuántica al escribir la clave impide la existencia de patrones que puedan utilizarse para descifrar el código.

Aparte de eso, las fuentes de fotones individuales pueden usarse para probar algunas propiedades fundamentales de la teoría cuántica de campos . ^{[ 1 ]}

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