Les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collaborateurs ont franchi une nouvelle étape dans la quête de la création de circuits photoniques quantiques, des dispositifs à base de puces qui s'appuient sur les propriétés quantiques de la lumière pour traiter et communiquer des informations rapidement et en toute sécurité. .

L'architecture de circuit quantique conçue par l'équipe est parmi les premières à combiner deux types différents de dispositifs optiques, fabriqués à partir de différents matériaux, sur une seule puce - une source semi-conductrice qui génère efficacement des particules uniques de lumière (photons) à la demande, et un réseau de "guides d'ondes" qui transporte ces photons à travers le circuit avec une faible perte. Maximiser le nombre de photons, ayant idéalement des propriétés identiques, est essentiel pour activer des applications telles que la communication sécurisée, mesure de précision, détection et calcul, avec des performances potentiellement supérieures à celles des technologies existantes.

L'architecture, développé par Marcelo Davanco et d'autres chercheurs du NIST avec des collaborateurs de Chine et du Royaume-Uni, utilise une structure semi-conductrice à l'échelle du nanomètre appelée point quantique - fabriquée à partir d'arséniure d'indium - pour générer des photons individuels sur la même puce que les guides d'ondes optiques - fabriqués à partir de nitrure de silicium. La combinaison de ces deux matériaux nécessite des techniques de traitement spéciales. De telles architectures de circuits hybrides pourraient devenir des blocs de construction pour des systèmes plus complexes.

Précédemment, les circuits photoniques intégrés quantiques ne se composaient généralement que de dispositifs passifs tels que des guides d'ondes et des séparateurs de faisceaux, qui laissent passer les photons ou leur permettent de fusionner. Les photons eux-mêmes devaient encore être produits à l'extérieur de la puce, et les mettre sur la puce a entraîné des pertes, ce qui a considérablement dégradé les performances du circuit. Les architectures de circuits qui incluaient la génération de lumière quantique sur une puce incorporaient des sources qui ne produisaient que des photons de manière aléatoire et à faible débit - ce qui limite les performances - ou avaient des sources dans lesquelles un photon n'était pas nécessairement identique au suivant. En outre, les processus de fabrication supportant ces architectures précédentes rendaient difficile l'augmentation du nombre, taille et complexité des circuits photoniques.

En revanche, la nouvelle architecture et les procédés de fabrication développés par l'équipe devraient permettre aux chercheurs de construire de manière fiable des circuits plus grands, qui pourraient effectuer des calculs ou des simulations plus complexes et se traduire par une précision de mesure et une sensibilité de détection plus élevées dans d'autres applications.

La boîte quantique utilisée par l'équipe est une structure à l'échelle nanométrique bien étudiée :un îlot d'arséniure d'indium semi-conducteur entouré d'arséniure de gallium. La nanostructure arséniure d'indium/arséniure de gallium agit comme un système quantique à deux niveaux d'énergie :un état fondamental (niveau d'énergie inférieur) et un état excité (niveau d'énergie supérieur). Lorsqu'un électron à l'état excité perd de l'énergie en tombant à l'état fondamental, il émet un seul photon.

Contrairement à la plupart des types d'émetteurs à deux niveaux qui existent à l'état solide, il a été démontré que ces points quantiques génèrent - de manière fiable, sur demande, et à grande vitesse, les photons uniques nécessaires aux applications quantiques. En outre, les chercheurs ont pu les placer à l'échelle nanométrique, des espaces confinant la lumière qui permettent une grande accélération du taux d'émission de photons uniques, et en principe, pourrait également permettre à la boîte quantique d'être excitée par un seul photon. Cela permet aux points quantiques d'aider directement au traitement de l'information plutôt que de simplement produire des flux de photons.

L'autre partie de l'architecture de circuit hybride de l'équipe est constituée de guides d'ondes passifs en nitrure de silicium, connus pour leur capacité à transmettre des photons à travers la surface d'une puce avec une très faible perte de photons. Cela permet aux photons générés par des points quantiques de fusionner efficacement avec d'autres photons au niveau d'un séparateur de faisceau, ou interagir avec d'autres éléments de circuit tels que des modulateurs et des détecteurs.

"Nous obtenons le meilleur des deux mondes, chacun se comportant très bien ensemble sur un même circuit, " dit Davanco. En fait, l'architecture hybride conserve les hautes performances obtenues dans des appareils composés exclusivement de chacun des deux matériaux, avec peu de dégradation lorsqu'ils sont assemblés. Lui et ses collègues ont décrit le travail dans un récent numéro de Communication Nature .

Pour faire les appareils hybrides, Davanco et ses collègues ont d'abord collé deux plaquettes ensemble, l'une contenant les points quantiques, l'autre contenant le matériau de guide d'ondes en nitrure de silicium. Ils ont utilisé une variante d'un procédé qui avait été développé à l'origine pour fabriquer des lasers photoniques hybrides, qui combinait du silicium pour les guides d'ondes et des semi-conducteurs composés pour l'émission lumineuse classique. Une fois le collage terminé, les deux matériaux ont ensuite été sculptés avec une résolution à l'échelle nanométrique dans leurs géométries finales grâce à des techniques de gravure et de gravure de dispositifs semi-conducteurs de pointe.

Bien que cette technique de collage de plaquettes ait été développée il y a plus d'une décennie par d'autres chercheurs, l'équipe est la première à l'appliquer à la fabrication de dispositifs photoniques quantiques intégrés.

"Comme nous avons une expertise à la fois en fabrication et en photonique quantique, il nous a semblé clair que nous pouvions emprunter et adapter ce procédé pour créer cette nouvelle architecture, " note Davanco.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.