Les lasers sont partout de nos jours :les médecins les utilisent pour corriger la vue, des caissiers pour scanner vos courses, et un scientifique quantique pour contrôler les qubits dans le futur ordinateur quantique. Pour la plupart des applications, le courant encombrant, les lasers à faible consommation d'énergie sont très bien, mais les scientifiques quantiques travaillent à des températures extrêmement basses et à de très petites échelles. Depuis plus de 40 ans, ils ont recherché des lasers micro-ondes efficaces et précis qui ne perturberont pas l'environnement très froid dans lequel fonctionne la technologie quantique.

Une équipe de chercheurs dirigée par Leo Kouwenhoven à TU Delft a démontré un laser micro-ondes sur puce basé sur une propriété fondamentale de la supraconductivité, l'effet AC Josephson. Ils ont intégré une petite section d'un supraconducteur interrompu, une jonction Josephson, dans une cavité sur puce soigneusement conçue. Un tel dispositif ouvre la porte à de nombreuses applications dans lesquelles le rayonnement micro-ondes avec une dissipation minimale est la clé, par exemple pour contrôler les qubits dans un ordinateur quantique évolutif.

Les scientifiques ont publié leurs travaux dans Science le 3 mars.

Les lasers ont la capacité unique d'émettre parfaitement synchronisé, lumière cohérente. Cela signifie que la largeur de ligne (correspondant à la couleur) est très étroite. Typiquement, les lasers sont fabriqués à partir d'un grand nombre d'émetteurs (atomes, molécules, ou semi-conducteurs) à l'intérieur d'une cavité. Ces lasers conventionnels sont souvent inefficaces, et dissiper beaucoup de chaleur tout en laser. Cela les rend difficiles à opérer dans des environnements cryogéniques, comme ce qui est requis pour faire fonctionner un ordinateur quantique.

Jonction Josephson supraconductrice

En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a découvert que certains matériaux passent à un état supraconducteur à très basse température, permettant au courant électrique de circuler sans aucune perte d'énergie. L'une des applications les plus importantes de la supraconductivité est l'effet Josephson :si une barrière très courte interrompt un morceau de supraconducteur, les porteurs électriques traversent ce matériau non supraconducteur par les lois de la mécanique quantique. De plus, ils le font à une fréquence très caractéristique, qui peut être modifiée par une tension continue appliquée de l'extérieur. La jonction Josephson est donc un parfait convertisseur tension-lumière (fréquence).

Laser à jonction Josephson

Les scientifiques de QuTech ont couplé une telle jonction Josephson à une micro-cavité supraconductrice à facteur de haute qualité, pas plus gros qu'une fourmi. La jonction Josephson agit comme un seul atome, tandis que la cavité peut être vue comme deux miroirs pour la lumière micro-ondes. Lorsqu'une petite tension continue est appliquée à cette jonction Josephson, il émet des photons micro-ondes qui sont en résonance avec la fréquence de la cavité. Les photons rebondissent entre deux miroirs supraconducteurs, et forcer la jonction Josephson à émettre plus de photons synchronisés avec les photons dans la cavité. En refroidissant l'appareil à des températures ultra-basses ( <1 Kelvin) et en appliquant une petite tension continue à la jonction Josephson, les chercheurs observent un faisceau cohérent de photons micro-ondes émis à la sortie de la cavité. Parce que le laser sur puce est entièrement composé de supraconducteurs, il est très économe en énergie et plus stable que les lasers à semi-conducteurs précédemment démontrés. Il utilise moins d'un picoWatt de puissance pour fonctionner, plus de 100 milliards de fois moins qu'un globe lumineux.

Contrôle quantique à faibles pertes

Des sources efficaces de lumière micro-ondes cohérente de haute qualité sont essentielles dans toutes les conceptions actuelles du futur ordinateur quantique. Les rafales de micro-ondes sont utilisées pour lire et transférer des informations, corriger les erreurs et accéder et contrôler les composants quantiques individuels. Alors que les sources de micro-ondes actuelles sont chères et inefficaces, le laser à jonction Josephson créé à QuTech est économe en énergie et offre une solution sur puce facile à contrôler et à modifier. Le groupe étend sa conception pour utiliser des jonctions Josephson accordables fabriquées à partir de nanofils pour permettre une rafale de micro-ondes pour un contrôle rapide de plusieurs composants quantiques. À l'avenir, un tel dispositif peut être capable de générer une lumière dite "à compression d'amplitude" avec des fluctuations d'intensité plus faibles par rapport aux lasers classiques, ceci est essentiel dans la plupart des protocoles de communication quantique. Ce travail marque une étape importante vers la maîtrise des grands systèmes quantiques pour l'informatique quantique.