Impression d'artiste d'un transducteur micro-ondes-opto-acoustique. Les électrodes (en haut à gauche, gold) lancent des ondes acoustiques se propageant qui peuvent être mesurées optiquement dans un nanofaisceau de cristal photonique (en bas à droite). Un tel dispositif permet de mettre en évidence un processus de conversion cohérent entre un signal hyperfréquence GHz et un signal télécom optique, à la limite du bruit quantique. Crédit :Moritz Forsch. Institut Kavli de nanosciences, Université de technologie de Delft
Des chercheurs dirigés par le personnel de l'Université de technologie de Delft ont effectué deux étapes dans la conversion d'états quantiques entre des signaux dans les domaines micro-ondes et optique. Ceci est d'un grand intérêt pour connecter les futurs ordinateurs quantiques supraconducteurs à un réseau quantique mondial. Cette semaine, ils rendent compte de leurs conclusions dans Physique de la nature et en Lettres d'examen physique .
La conversion entre les signaux dans les domaines hyperfréquence et optique est d'un grand intérêt, notamment pour connecter les futurs ordinateurs quantiques supraconducteurs à un réseau quantique mondial. De nombreux efforts de pointe dans les technologies quantiques, y compris les qubits supraconducteurs et les points quantiques, partager des informations quantiques à travers des photons dans le régime micro-ondes. Bien que cela permette un degré impressionnant de contrôle quantique, cela limite également la distance que les informations peuvent parcourir de manière réaliste avant d'être perdues à quelques centimètres.
À la fois, le domaine de la communication quantique optique a déjà vu des démonstrations sur des échelles de distance capables de fournir des applications dans le monde réel. En transmettant des informations dans la bande télécom optique, Des réseaux quantiques à base de fibres sur des dizaines voire des centaines de kilomètres sont envisageables. « Afin de connecter plusieurs nœuds de calcul quantique sur de grandes distances à un Internet quantique, il est donc vital de pouvoir convertir l'information quantique des hyperfréquences vers le domaine optique, et retour, " déclare le professeur Simon Groeblacher de l'Université de technologie de Delft. " Ce ne sera pas seulement extrêmement intéressant pour les applications quantiques, mais aussi pour très efficace, conversion à faible bruit entre les signaux optiques et électriques classiques."
État fondamental
Plusieurs approches prometteuses ont été adoptées pour réaliser un convertisseur hyperfréquence vers optique, par exemple en essayant de coupler les signaux à travers un système mécanique (oscillateur). Mais ils ont tous fonctionné jusqu'à présent avec un bruit de fond thermique important. "Nous avons surmonté cette limitation et démontré une conversion cohérente entre les signaux hyperfréquences GHz et la bande télécom optique avec un bruit de fond thermique minimal, " Moritz Forsch, l'un des deux auteurs principaux des publications, explique.
Pour y parvenir, il était nécessaire de refroidir l'oscillateur mécanique dans l'état fondamental de mouvement quantique. La faible occupation thermique constitue la base du contrôle quantique des états mécaniques. Rob Stockill, l'autre auteur principal, poursuit :« Nous utilisons un système intégré, dispositif électro-opto-mécanique sur puce qui couple des ondes acoustiques de surface entraînées par un signal micro-onde résonant à un cristal optomécanique. On initialise le mode mécanique dans son état fondamental quantique, ce qui nous permet d'effectuer le processus de transduction avec un minimum de bruit thermique ajouté, tout en maintenant que les photons micro-ondes cartographiés dans le résonateur mécanique sont efficacement convertis dans le domaine optique."
Matériaux piézoélectriques
L'équipe de Groeblacher a récemment fait un autre pas en avant dans ce domaine, en se concentrant sur l'utilisation de nouveaux matériaux piézoélectriques. Ces matériaux, dans lequel des champs électriques sont produits en raison de contraintes mécaniques, pourrait être d'un grand intérêt pour la transduction d'informations quantiques entre différents porteurs. Le couplage électromécanique permet en principe la transduction d'un état quantique entre les domaines hyperfréquence et fréquentiel optique dans ce matériau. Une approche prometteuse est donc de construire des dispositifs opto-mécaniques piézoélectriques intégrés, qui sont ensuite couplés à des circuits hyperfréquences.
"Nous avons conçu et caractérisé un tel dispositif optomécanique piézoélectrique fabriqué à partir de phosphure de gallium, dans lequel un mode mécanique de 2,9 GHz est couplé à un résonateur optique à facteur de qualité élevé dans la bande des télécommunications. La large bande interdite électronique et la faible absorption optique qui en résulte de ce nouveau matériau, à égalité avec les appareils fabriqués à partir de silicium, permet de démontrer le comportement quantique de la structure, " dit le professeur Groeblacher.
L'étape suivante
Le dispositif fabriqué à partir de phosphure de gallium (GaP) surpasse de loin les réalisations actuelles en GaAs ou d'autres matériaux piézoélectriques généralement utilisés dans des approches similaires. La prochaine étape pour les chercheurs est de s'appuyer sur le fonctionnement réussi du dispositif GaP dans ce régime de paramètres et d'étudier plus avant l'utilisation de ce matériau passionnant. Compte tenu de la large bande interdite électronique et des propriétés piézoélectriques du GaP, ces résultats de recherche ouvrent la porte à de nouvelles expériences quantiques ainsi qu'à la possibilité d'utiliser de tels dispositifs pour la conversion micro-ondes en optique de photons uniques.
La parution en Physique de la nature était une collaboration entre l'Université de technologie de Delft, l'Université de Vienne, Université de technologie d'Eindhoven et NIST.
La parution en Lettres d'examen physique était une collaboration entre l'Université de technologie de Delft, Université Paris Sud, Université Paris-Saclay et Université de Paris.
