Illustration d'un pistolet à photons. Un point quantique (le symbole jaune) émet un photon (paquet d'ondes rouges) à la fois. La boîte quantique est noyée dans une structure cristalline photonique, qui est obtenu par gravure de trous (cercles noirs) dans un matériau semi-conducteur. En raison des trous, les photons ne peuvent pas être émis dans toutes les directions, mais seulement le long du guide d'ondes, qui est formé en omettant un certain nombre de trous. Crédit :Søren Stobbe, BNI
Les nanostructures photoniques avancées sont en passe de révolutionner la technologie quantique pour les réseaux quantiques basés sur la lumière. Des chercheurs de l'Institut Niels Bohr ont maintenant développé les premiers blocs de construction nécessaires à la construction de circuits photoniques quantiques complexes pour les réseaux quantiques. Ce développement rapide des réseaux quantiques est souligné dans un article de la revue La nature .
La technologie quantique basée sur la lumière (photons) est appelée photonique quantique, tandis que l'électronique est basée sur les électrons. Les photons (particules lumineuses) et les électrons se comportent différemment au niveau quantique. Une entité quantique est la plus petite unité du monde microscopique. Par exemple, les photons sont le constituant fondamental de la lumière et les électrons du courant électrique. Les électrons sont appelés fermions et peuvent facilement être isolés pour conduire un électron à la fois. En revanche, les photons sont des bosons, qui préfèrent se regrouper. Mais puisque l'information pour la communication quantique basée sur la photonique est codée dans un seul photon, il faut les émettre et les envoyer un par un.
Capacité d'information accrue
Les informations basées sur les photons présentent de grands avantages; les photons n'interagissent que très faiblement avec l'environnement - contrairement aux électrons, les photons ne perdent donc pas beaucoup d'énergie en cours de route et peuvent donc être envoyés sur de longues distances. Les photons sont donc très bien adaptés pour transporter et distribuer des informations et un réseau quantique basé sur des photons sera capable de coder beaucoup plus d'informations qu'il n'est possible avec la technologie informatique actuelle et les informations ne pourraient pas être interceptées en cours de route.
De nombreux groupes de recherche à travers le monde travaillent intensément dans ce domaine de recherche, qui se développe rapidement et de fait, les premiers produits commerciaux de photonique quantique commencent à être fabriqués.
Emission directionnelle de photons. La figure montre les calculs de l'émission de photons dans la nouvelle source directionnelle à photon unique. Si le spin de l'électron de la boîte quantique pointe vers le haut, le photon sera émis dans une seule direction (bleu). Si le spin de l'électron de la boîte quantique pointe vers le bas, le photon sera émis dans la direction opposée (rouge). Crédit :Sahand Mahmoodian et Søren Stobbe, BNI
Contrôle des photons
Une condition préalable aux réseaux quantiques est la capacité de créer un flux de photons uniques à la demande et les chercheurs de l'Institut Niels Bohr ont réussi à faire exactement cela.
"Nous avons développé une puce photonique, qui agit comme un pistolet à photons. La puce photonique est constituée d'un cristal extrêmement petit de 10 microns de large et de 160 nanomètres d'épaisseur. Une source lumineuse est intégrée au milieu de la puce, qui est ce qu'on appelle un point quantique. L'éclairage de la boîte quantique avec une lumière laser excite un électron, qui peut alors sauter d'une orbite à une autre et ainsi émettre un seul photon à la fois. Les photons sont généralement émis dans toutes les directions, mais la puce photonique est conçue pour que tous les photons soient envoyés à travers un guide d'ondes photonique, " explique Peter Lodahl, professeur et responsable du groupe de recherche Quantum Photonics à l'Institut Niels Bohr, Université de Copenhague.
Dans un long, processus laborieux, le groupe de recherche a développé et testé la puce photonique jusqu'à ce qu'elle atteigne une efficacité extrême et Peter Lodahl explique qu'il était particulièrement surprenant qu'ils puissent obtenir l'émission de photons d'une manière qui n'était pas possible auparavant. Normalement, les photons sont transmis dans les deux sens dans le guide d'onde photonique, mais dans leur puce photonique sur mesure, ils pourraient briser cette symétrie et obtenir le point quantique pour différencier l'émission d'un photon à droite ou à gauche, cela signifie émettre des photons directionnels. Cela signifie un contrôle total sur les photons et les chercheurs commencent à explorer comment construire des systèmes de réseaux quantiques complets basés sur la nouvelle découverte.
« Les photons peuvent être envoyés sur de longues distances via des fibres optiques, où ils filent à travers les fibres avec très peu de perte. Vous pourriez potentiellement construire un réseau où les photons connectent de petits systèmes quantiques, qui sont ensuite reliés entre eux dans un réseau quantique - un Internet quantique, " explique Peter Lodahl.
Il ajoute que si les premières fonctionnalités de base sont déjà une réalité, le grand défi est maintenant de les étendre à grande échelle, réseaux quantiques complexes.
