La photonique quantique implique un nouveau type de technologie qui repose sur les photons, la particule élémentaire de lumière. Ces photons peuvent potentiellement transporter des bits d'information quantiques sur de grandes distances. Si la source de photons pouvait être placée sur une seule puce et conçue pour produire des photons à un taux élevé, cela pourrait permettre une communication quantique à grande vitesse ou un traitement de l'information, ce qui constituerait une avancée majeure dans les technologies de l'information.

Dans le numéro de cette semaine de Examens de physique appliquée , une simple source de photons sur puce utilisant un type de matériau connu sous le nom de métamatériau hyperbolique est proposée. Les chercheurs ont effectué des calculs pour montrer qu'un prototype utilisant le métamatériau hyperbolique disposé de manière précise peut surmonter les problèmes de faible efficacité et permettre des taux de répétition élevés pour les sources de photons sur puce.

Jusque récemment, les sources monophotoniques ont généralement été fabriquées à partir de points quantiques auto-assemblés dans des semi-conducteurs ou à partir de matériaux, comme des diamants, avec des défauts structurels. C'est difficile, cependant, pour produire des photons uniques à des taux élevés à partir de tels matériaux. Certaines approches pour remédier à ce problème ont été essayées, mais si loin, les résultats souffrent d'une bande passante étroite et d'une faible efficacité.

Une autre façon d'aborder ces problèmes est d'utiliser des matériaux spéciaux, comme les métamatériaux, pour la source de photons. Les métamatériaux sont des empilements de couches métalliques et diélectriques, structuré à un niveau bien inférieur à la longueur d'onde de la lumière utilisée. Ils présentent des propriétés optiques inhabituelles lorsqu'ils sont façonnés en formes, comme les nanofils. Les électrons circulant à travers le matériau créent une oscillation collective connue sous le nom de plasmon de surface, générer des champs électromagnétiques localisés.

Les métamatériaux hyperboliques sont des versions hautement anisotropes de ces métamatériaux. Ils manipulent la lumière de diverses manières. Par exemple, ils peuvent réduire la longueur d'onde de la lumière et lui permettre de se déplacer librement dans une direction tout en l'arrêtant dans une autre.

Les chercheurs proposent une géométrie pour leur source de photons sur puce où un métamatériau hyperbolique est incliné à un angle précis par rapport à la facette d'extrémité de la nanofibre voisine utilisée pour transmettre les photons émis. En choisissant soigneusement l'angle d'inclinaison, les réflexions lumineuses sont supprimées à l'interface avec la fibre.

Les calculs du groupe ont montré que cette disposition géométrique simple devrait surmonter les limitations précédentes avec ces matériaux.

Le co-auteur Lian Shen a déclaré :"Notre travail représente une étape vitale vers la mise en œuvre de sources de photons uniques à large spectre avec des taux de répétition élevés pour les réseaux quantiques sur puce."