Les autoroutes optiques pour la lumière sont au cœur des communications modernes. Mais lorsqu'il s'agit de guider des impulsions lumineuses individuelles appelées photons, le transport en commun fiable est beaucoup moins courant. Maintenant, une collaboration de chercheurs du Joint Quantum Institute (JQI), dirigé par les boursiers JQI Mohammad Hafezi et Edo Waks, a créé une puce photonique qui génère à la fois des photons uniques, et les dirige autour. Le dispositif, décrit dans le numéro du 9 février de Science , dispose d'un moyen pour la lumière quantique de se déplacer de manière transparente, insensible à certains obstacles.

"Cette conception intègre des idées bien connues qui protègent le flux de courant dans certains appareils électriques, " dit Hafezi. " Ici, nous créons un environnement analogue pour les photons, celui qui protège l'intégrité de la lumière quantique, même en présence de certains défauts."

La puce commence par un cristal photonique, qui est un établissement, technologie polyvalente utilisée pour créer des routes pour la lumière. Ils sont fabriqués en perçant des trous à travers une feuille de semi-conducteur. Pour les photons, le motif de trous répété ressemble beaucoup à un vrai cristal fait d'une grille d'atomes. Les chercheurs utilisent différents modèles de trous pour changer la façon dont la lumière se courbe et rebondit à travers le cristal. Par exemple, ils peuvent modifier les tailles et les séparations des trous pour faire des voies de circulation restreintes qui permettent le passage de certaines couleurs claires, tout en interdisant aux autres.

Parfois, même dans ces appareils soigneusement fabriqués, il y a des défauts qui modifient l'itinéraire prévu de la lumière, l'amenant à faire un détour dans une direction inattendue. Mais plutôt que de débarrasser leurs puces de chaque défaut, l'équipe JQI atténue ce problème en repensant les formes des trous et le motif cristallin du cristal. Dans la nouvelle puce, ils gravent des milliers de trous triangulaires dans un réseau qui ressemble au nid d'abeille d'une abeille. Le long du centre de l'appareil, ils décalent l'espacement des trous, qui ouvre une voie différente pour la lumière. Précédemment, ces chercheurs ont prédit que les photons se déplaçant le long de cette ligne de trous décalés devraient être imperméables à certains défauts en raison de la structure cristalline globale, ou topologie. Que la voie soit une route en lacet ou une ligne droite, le trajet de la lumière de l'origine à la destination doit être assuré, quels que soient les détails de la route.

La lumière provient de petites taches de semi-conducteurs, appelées émetteurs quantiques, incrustées dans le cristal photonique. Les chercheurs peuvent utiliser des lasers pour pousser ce matériau à libérer des photons uniques. Chaque émetteur peut gagner de l'énergie en absorbant des photons laser et perdre de l'énergie en crachant plus tard ces photons, un à la fois. Les photons provenant des deux états les plus énergétiques d'un même émetteur sont de couleurs différentes et tournent dans des directions opposées. Pour cette expérience, l'équipe utilise des photons d'un émetteur trouvé près du centre de la puce.

L'équipe a testé les capacités de la puce en changeant d'abord un émetteur quantique de son état d'énergie le plus bas à l'un de ses deux états d'énergie plus élevés. Après s'être détendu, l'émetteur émet un photon dans la voie de circulation à proximité. Ils ont continué ce processus plusieurs fois, en utilisant des photons des deux états d'énergie plus élevés. Ils ont vu que les photons émis par les deux états préféraient voyager dans des directions opposées, qui était la preuve de la topologie cristalline sous-jacente.

Pour confirmer que la conception pourrait effectivement offrir des voies de circulation protégées pour les photons uniques, l'équipe a créé un virage à 60 degrés dans la configuration des trous. Dans les cristaux photoniques typiques, sans fonctions de protection intégrées, un tel pli ferait probablement réfléchir une partie de la lumière vers l'arrière ou se disperserait ailleurs. Dans cette nouvelle puce, la topologie protégeait les photons et leur permettait de continuer leur chemin sans encombre.

"Sur Internet, l'information se déplace dans des paquets de lumière contenant de nombreux photons, et en perdre quelques-uns ne te fait pas trop de mal", dit le co-auteur Sabyasachi Barik, un étudiant diplômé à JQI. "Dans le traitement de l'information quantique, nous devons protéger chaque photon et nous assurer qu'il ne se perd pas en cours de route. Notre travail peut atténuer certaines formes de perte, même lorsque l'appareil n'est pas complètement parfait."

La conception est flexible, et pourrait permettre aux chercheurs d'assembler systématiquement des voies pour des photons uniques, dit Waks. "Une telle approche modulaire peut conduire à de nouveaux types de dispositifs optiques et permettre des interactions personnalisées entre les émetteurs de lumière quantique ou d'autres types de matière."