La source de lumière enchevêtrée est entièrement intégrée à la puce

Les paires de photons intriqués sont un ingrédient clé des ordinateurs quantiques photoniques, des systèmes de distribution de clés quantiques et de nombreuses conceptions de réseaux quantiques. La production de photons intriqués à la demande nécessite généralement des lasers volumineux et des procédures d'alignement prolongées, ce qui limite la viabilité commerciale de ces technologies. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs en Allemagne et aux Pays-Bas a utilisé une nouvelle architecture pour combiner plusieurs technologies photoniques intégrées en un seul appareil. Le résultat est une source complète de photons intriqués sur une puce de la taille d'une pièce d'un euro.

"Cette puce est très facile à utiliser", déclare un membre de l'équipe Raktim Haldar, qui est chercheur postdoctoral à l'Université Leibniz de Hanovre. "Il vous suffit de le brancher et de l'allumer, et il peut générer les photons quantiques - vous n'avez besoin de rien d'autre ni d'aucune autre expertise." Il ajoute qu'à l'avenir, la source pourrait être trouvée dans chaque processeur quantique optique de la même manière que les batteries lithium-ion se trouvent dans chaque système électronique aujourd'hui.

Les bits quantiques photoniques (qubits) sont l'une des nombreuses technologies qui sont en concurrence pour devenir la base des futurs ordinateurs quantiques. Ils offrent plusieurs avantages par rapport aux autres types de qubits, notamment ceux basés sur des dispositifs supraconducteurs et des atomes ou ions piégés. Par exemple, les qubits photoniques n'ont pas besoin d'être refroidis à des températures cryogéniques et ils sont moins sensibles au bruit environnemental qui peut détruire des systèmes quantiques délicats.

Difficile à enchevêtrer

En revanche, les qubits photoniques sont plus sensibles aux pertes et ils sont beaucoup plus difficiles à emmêler - ce dernier étant nécessaire pour les calculs qui impliquent plus d'un qubit à la fois.

La photonique intégrée, dans laquelle les photons sont confinés pour voyager dans des guides d'ondes de largeur micrométrique imprimés sur des puces, offre un moyen d'améliorer les ordinateurs quantiques basés sur la lumière

"Les ordinateurs quantiques photoniques ont un gros problème de perte", déclare Elisabeth Goldschmidt, professeur d'optique quantique à l'Université de l'Illinois Urbana Champaign qui n'a pas participé à la création de la nouvelle source. "Parce que les interfaces sont particulièrement perdantes, il est très important d'utiliser la puce."

Dans leurs dernières recherches, Haldar et ses collègues ont créé un système photonique sur puce qui génère des photons intriqués. Il se compose de trois composants principaux : un laser ; un filtre assurant la stabilité du laser à bande de fréquence étroite ; et un milieu non linéaire générant des paires de photons intriqués. Alors que les lasers et les sources de lumière quantique nécessitant un laser externe ont déjà été créés sur puce, mettre les deux sur la même puce a été un défi. En effet, les matériaux utilisés pour le laser sont différents de ceux requis pour le filtrage et la génération de paires intriquées, et les procédés de fabrication des deux matériaux sont généralement incompatibles.

Intégration hybride

L'équipe a surmonté cette incompatibilité en utilisant une technique appelée intégration hybride. Le milieu de gain utilisé pour le laser était en phosphure d'indium, tandis que les composants de filtrage et de génération de photons étaient en nitrure de silicium. Pour coller les deux ensemble, l'équipe a fait appel à l'expertise de Klaus Bollerà l'Université de Twente. L'équipe de Boller est habile à coller différentes puces ensemble avec suffisamment de finesse pour que les composants microscopiques de guidage de la lumière s'alignent et se connectent si parfaitement que presque aucune lumière n'est perdue à l'interface. Pour éviter la réflexion à l'interface, ils ont ajouté un revêtement anti-reflet et ont carrelé l'extrémité du guide d'ondes en phosphure d'indium vers le haut de la puce de 9°. Cela leur a permis d'obtenir moins de 0.01 dB de perte sur l'interface.

L'enchevêtrement de photons ravivé pourrait améliorer la communication et l'imagerie quantiques   

Pour faciliter l'intégration transparente de tous les composants, l'équipe a choisi une conception dans laquelle le milieu de gain laser, le filtre et les guides d'ondes de génération de paires de photons sont tous contenus à l'intérieur de la cavité laser. "Ils ont proposé ce schéma intelligent pour intégrer à la fois le filtrage et la production de paires dans les mêmes anneaux de nitrure de silicium, et le laser sur la même puce, ce qui est très cool", explique Goldschmidt.

Concevoir l'ensemble du mécanisme à l'intérieur de la cavité laser n'a pas été chose aisée. En particulier, le filtre qu'ils ont utilisé n'avait pas été adapté à des fins de lumière quantique, et ils ont travaillé dur pour l'adapter. "La perte doit être égale au gain total pour maintenir l'action du laser", explique Haldar, "et c'est un défi technique très difficile. Si un écart entre deux guides d'ondes est, disons, de 200 nm, le changer à seulement 180 nm peut empêcher toute la puce de fonctionner.

La puce crée des paires de photons intriqués en fréquence avec une fidélité de 99 % environ 1000 fois par seconde. L'équipe travaille actuellement à l'extension des capacités photoniques sur puce pour inclure la création d'états de clusters multiphotons. Ce sont des états comprenant plusieurs photons intriqués qui pourraient être utilisés comme qubits efficaces moins sensibles aux pertes. La création d'états de cluster efficaces est un problème ouvert difficile en informatique quantique. Selon Goldschmidt, "le multiplexage de plusieurs de ces sources sur la même puce est une voie très claire et vous permet d'enchevêtrer plus de degrés de liberté et de créer des états intriqués plus complexes".

Ils ont décrit leurs résultats dans Nature Photonics.

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