Vers des LEDS à photons intriqués ?

Des scientifiques britanniques ont réussi à produire, bien plus efficacement qu'il n'était possible auparavant, des paires de photons intriqués à partir d'un cristal semi-conducteur de taille nanométrique connu sous le nom de "boite quantique". Les performances désormais atteintes approchent celles nécessaires pour des applications pratiques, ce qui signifie que des dispositifs émettant une lumière intriquée pourraient devenir un jour aussi communs que les lasers ou les diodes électroluminescentes.


L'intrication (l'enchevêtrement) est un phénomène quantique qui permet à des particules d'avoir un rapport beaucoup plus étroit entre elles que cela n'est possible en physique classique. La mesure de l'état de l'une permet de connaître l'état de l'autre. Par exemple, si un photon est polarisé horizontalement, alors sa contrepartie intriquée possèdera une polarisation verticale, et cela même si il se situe alors à de nombreux kilomètres de distance. Dans les expériences effectuées par Andrew Shields et son équipe de l'Université de Cambridge, la corrélation est observée pour une polarisation non seulement horizontale et verticale mais également pour toutes les directions possibles de celle-ci.

A cause de leur petite taille, les boîtes quantiques ne peuvent contenir que quelques porteurs, électrons et/ou trous. L'équipe a produit des photons intriqués d'un cristal de 12 nanomètres de diamètre élaboré à partir d'arséniure d'indium encastré dans une cavité d'arséniure de gallium et d'arséniure d'aluminium. Existée par une impulsion laser, la boîte capture deux électrons et deux "trous" pour former un état appelé "biexciton" à l'intérieur de la boite. Un des électrons se recombine avec un trou pour produire un photon, laissant subsister un état intermédiaire "exciton" avec un électron et un trou. Cette autre paire électron-trou se combine ensuite à son tour pour produire un deuxième photon.


Les polarisations des deux photons émis sont gouvernées par les spins de l'électron et du trou dans l'état intermédiaire exciton, qui possède deux configurations possibles de spin. La recombinaison via l'un de ces deux états conduit à l'émission aléatoire de deux photons polarisés horizontalement ou verticalement. Les chercheurs ont constaté que des photons intriqués n'étaient émis que par certaines boîtes possédant une forme symétrique.

Les premiers travaux de l'équipe britannique n'autorisaient qu'un rendement de 49%. Les chercheurs ont désormais amélioré ce résultat et ont porté l'efficacité du système à 70% (1), en supprimant la lumière de fond émise par les couches autres que la boîte quantique elle-même. Une caractéristique unique de cette nouvelle source est qu'elle produit une paire de photons intriqués à la demande, c'est-à-dire en réponse à un déclenchement externe. "Une telle source est essentielle pour beaucoup d'applications, comme l'informatique ou les communications quantiques, pour lesquelles les opérations sont déclenchées par une horloge externe", indique Shieds.

(1): signifie que 70% des paires de photons détectées sont intriquées.