Les transistors sont de minuscules commutateurs qui forment la base de l'informatique moderne; des milliards d'entre eux acheminent les signaux électriques à l'intérieur d'un smartphone, par exemple.

Les ordinateurs quantiques auront besoin de matériel analogue pour manipuler les informations quantiques. Mais les contraintes de conception de cette nouvelle technologie sont fortes, et les processeurs les plus avancés d'aujourd'hui ne peuvent pas être réutilisés en tant qu'appareils quantiques. C'est parce que les supports d'information quantique, qubits surnommés, doivent suivre différentes règles établies par la physique quantique.

Les scientifiques peuvent utiliser de nombreux types de particules quantiques comme qubits, même les photons qui composent la lumière. Les photons ont un attrait supplémentaire car ils peuvent rapidement transporter des informations sur de longues distances, et ils sont compatibles avec les puces fabriquées. Cependant, faire un transistor quantique déclenché par la lumière a été difficile car cela nécessite que les photons interagissent les uns avec les autres, quelque chose qui n'arrive pas habituellement tout seul.

Maintenant, des chercheurs de la A. James Clark School of Engineering et du Joint Quantum Institute (JQI) de l'Université du Maryland, dirigés par un professeur de génie électrique et informatique, Fellow JQI, et Edo Waks, affilié à l'Institut de recherche en électronique et physique appliquée, ont surmonté cet obstacle et présenté le premier transistor à photon unique utilisant une puce semi-conductrice. Le dispositif, décrit dans le numéro du 6 juillet de Science , est compact ; environ un million de ces nouveaux transistors pourraient tenir dans un seul grain de sel. Il est également rapide et capable de traiter 10 milliards de qubits photoniques par seconde.

"En utilisant notre transistor, nous devrions pouvoir réaliser des portes quantiques entre les photons, " dit Waks. " Un logiciel exécuté sur un ordinateur quantique utiliserait une série de telles opérations pour atteindre une accélération exponentielle pour certains problèmes de calcul.

La puce photonique est constituée d'un semi-conducteur avec de nombreux trous, le faisant ressembler beaucoup à un nid d'abeille. La lumière entrant dans la puce rebondit et est piégée par le motif des trous ; un petit cristal appelé point quantique se trouve à l'intérieur de la zone où l'intensité lumineuse est la plus forte. Analogue à la mémoire d'ordinateur conventionnelle, le point stocke des informations sur les photons lorsqu'ils pénètrent dans l'appareil. Le point peut efficacement puiser dans cette mémoire pour arbitrer les interactions de photons, ce qui signifie que les actions d'un photon affectent d'autres qui arrivent plus tard sur la puce.

"Dans un transistor à photon unique, la mémoire à points quantiques doit persister suffisamment longtemps pour interagir avec chaque qubit photonique, " dit Shuo Sun, auteur principal du nouveau travail et chercheur postdoctoral à l'Université de Stanford qui était un étudiant diplômé de l'UMD au moment de la recherche. "Cela permet à un seul photon de commuter un plus grand flux de photons, ce qui est essentiel pour que notre appareil soit considéré comme un transistor."

Pour tester que la puce fonctionnait comme un transistor, les chercheurs ont examiné comment l'appareil répondait à de faibles impulsions lumineuses qui ne contenaient généralement qu'un seul photon. Dans un environnement normal, une telle lumière tamisée pourrait à peine s'enregistrer. Cependant, dans cet appareil, un seul photon est piégé pendant longtemps, enregistrant sa présence dans le point voisin.

L'équipe a observé qu'un seul photon pouvait, en interagissant avec le point, contrôler la transmission d'une seconde impulsion lumineuse à travers l'appareil. La première impulsion lumineuse agit comme une clé, ouvrir la porte pour que le deuxième photon entre dans la puce. Si la première impulsion ne contenait aucun photon, le point a bloqué le passage des photons suivants. Ce comportement est similaire à un transistor conventionnel où une petite tension contrôle le passage du courant à travers ses bornes. Ici, les chercheurs ont réussi à remplacer la tension par un seul photon et ont démontré que leur transistor quantique pouvait commuter une impulsion lumineuse contenant environ 30 photons avant que la mémoire de la boîte quantique ne s'épuise.

Waks dit que son équipe a dû tester différents aspects des performances de l'appareil avant de faire fonctionner le transistor. "Jusqu'à maintenant, nous avions les composants individuels nécessaires pour fabriquer un transistor à photon unique, mais ici, nous avons combiné toutes les étapes en une seule puce, " il dit.

Sun dit qu'avec des améliorations d'ingénierie réalistes, leur approche pourrait permettre de relier entre eux de nombreux transistors à lumière quantique. L'équipe espère qu'une telle rapidité, les appareils hautement connectés conduiront à terme à des ordinateurs quantiques compacts qui traitent un grand nombre de qubits photoniques.