La plus petite quantité de lumière que vous pouvez avoir est un photon, si faible qu'il est à peu près invisible pour les humains. Bien qu'imperceptible, ces minuscules points d'énergie sont utiles pour transporter des informations quantiques. Idéalement, chaque coursier quantique serait le même, mais il n'existe pas de moyen simple de produire un flux de photons identiques. Ceci est particulièrement difficile lorsque les photons individuels proviennent de puces fabriquées.

Maintenant, des chercheurs du Joint Quantum Institute (JQI) ont démontré une nouvelle approche qui permet à différents appareils d'émettre à plusieurs reprises des photons uniques presque identiques. L'équipe, dirigé par le boursier JQI Mohammad Hafezi, fait une puce de silicium qui guide la lumière autour du bord de l'appareil, où il est intrinsèquement protégé contre les perturbations. Précédemment, Hafezi et ses collègues ont montré que cette conception peut réduire la probabilité de dégradation du signal optique. Dans un article publié en ligne le 10 septembre dans La nature , l'équipe explique que la même physique qui protège la lumière le long du bord de la puce assure également une production de photons fiable.

photons uniques, qui sont un exemple de lumière quantique, sont plus que juste une lumière vraiment faible. Cette distinction a beaucoup à voir avec l'origine de la lumière. "Presque toute la lumière que nous rencontrons dans notre vie quotidienne est remplie de photons, " dit Elizabeth Goldschmidt, chercheur au US Army Research Laboratory et co-auteur de l'étude. "Mais contrairement à une ampoule, il y a des sources qui émettent réellement de la lumière, un photon à la fois, et cela ne peut être décrit que par la physique quantique, " ajoute Goldschmidt.

De nombreux chercheurs travaillent à la construction d'émetteurs de lumière quantiques fiables afin qu'ils puissent isoler et contrôler les propriétés quantiques des photons uniques. Goldschmidt explique que de telles sources lumineuses seront probablement importantes pour les futurs dispositifs d'information quantique ainsi que pour mieux comprendre les mystères de la physique quantique. « Les communications modernes reposent en grande partie sur la lumière non quantique, " dit Goldschmidt. " De même, beaucoup d'entre nous pensent que des photons uniques vont être nécessaires pour tout type d'application de communication quantique."

Les scientifiques peuvent générer de la lumière quantique à l'aide d'un processus naturel de changement de couleur qui se produit lorsqu'un faisceau de lumière traverse certains matériaux. Dans cette expérience, l'équipe a utilisé du silicium, un choix industriel commun pour guider la lumière, pour convertir la lumière laser infrarouge en paires de photons uniques de différentes couleurs.

Ils ont injecté de la lumière dans une puce contenant un réseau de minuscules boucles de silicium. Sous le microscope, les boucles ressemblent à des hippodromes vitreux reliés. La lumière circule des milliers de fois autour de chaque boucle avant de passer à une boucle voisine. Étiré, la trajectoire de la lumière ferait plusieurs centimètres de long, mais les boucles permettent d'insérer le trajet dans un espace environ 500 fois plus petit. Le voyage relativement long est nécessaire pour extraire de nombreuses paires de photons uniques de la puce de silicium.

De tels réseaux de boucles sont couramment utilisés comme sources de photons uniques, mais de petites différences entre les puces feront varier les couleurs des photons d'un appareil à l'autre. Même au sein d'un seul appareil, des défauts aléatoires dans le matériau peuvent réduire la qualité moyenne des photons. C'est un problème pour les applications d'information quantique où les chercheurs ont besoin que les photons soient aussi identiques que possible.

L'équipe a contourné ce problème en organisant les boucles de manière à toujours permettre à la lumière de voyager sans être perturbée autour du bord de la puce, même si des défauts de fabrication sont présents. Cette conception protège non seulement la lumière des perturbations, mais limite également la formation de photons uniques dans ces canaux périphériques. La disposition de la boucle oblige essentiellement chaque paire de photons à être presque identique à la suivante, indépendamment des différences microscopiques entre les anneaux. La partie centrale de la puce ne contient pas de routes protégées, et donc tous les photons créés dans ces zones sont affectés par des défauts matériels.

Les chercheurs ont comparé leurs puces à celles sans aucune route protégée. Ils ont collecté des paires de photons des différentes puces, compter le nombre émis et noter leur couleur. Ils ont observé que leur source de lumière quantique produisait de manière fiable une haute qualité, photons monochromes maintes et maintes fois, alors que la sortie de la puce conventionnelle était plus imprévisible.

"Nous avons d'abord pensé que nous devions être plus prudents avec la conception, et que les photons seraient plus sensibles au processus de fabrication de notre puce, " dit Sunil Mittal, un chercheur postdoctoral JQI et auteur principal de la nouvelle étude. "Mais, étonnamment, les photons générés dans ces canaux de bord blindés sont toujours presque identiques, peu importe à quel point les puces sont mauvaises."

Mittal ajoute que cet appareil présente un avantage supplémentaire par rapport aux autres sources de photons uniques. "Notre puce fonctionne à température ambiante. Je n'ai pas à la refroidir à des températures cryogéniques comme les autres sources de lumière quantique, ce qui en fait une configuration relativement très simple."

L'équipe dit que cette découverte pourrait ouvrir une nouvelle voie de recherche, qui unit la lumière quantique à des dispositifs photoniques dotés de fonctions de protection intégrées. "Les physiciens n'ont réalisé que récemment que les voies blindées modifient fondamentalement la façon dont les photons interagissent avec la matière, " dit Mittal. " Cela pourrait avoir des implications pour une variété de domaines où les interactions lumière-matière jouent un rôle, y compris la science de l'information quantique et la technologie optoélectronique."