Une équipe de physiciens de l'Université de Bristol a développé la première source de photons intégrée avec le potentiel de fournir une photonique quantique à grande échelle.

Le développement des technologies quantiques promet d'avoir un impact profond sur la science, ingénierie et société. Les ordinateurs quantiques à grande échelle seront capables de résoudre des problèmes insolubles même sur les supercalculateurs actuels les plus puissants, avec de nombreuses applications révolutionnaires, par exemple, dans la conception de nouveaux médicaments et matériaux.

La photonique quantique intégrée est une plate-forme prometteuse pour le développement de technologies quantiques en raison de sa capacité à générer et à contrôler des photons - des particules de lumière uniques - dans des circuits optiques complexes miniaturisés. Tirer parti de l'industrie mature du silicium CMOS pour la fabrication de dispositifs intégrés permet d'intégrer des circuits avec l'équivalent de milliers de fibres optiques et de composants sur une seule puce millimétrique.

L'utilisation de la photonique intégrée pour développer des technologies quantiques évolutives est très demandée. L'Université de Bristol est pionnière dans ce domaine, comme le montrent les nouvelles recherches publiées dans Communication Nature .

Dr Stefano Paesani, l'auteur principal explique :

« Un défi important qui a limité la mise à l'échelle de la photonique quantique intégrée a été le manque de sources sur puce capables de générer des photons uniques de haute qualité. Sans sources de photons à faible bruit, les erreurs dans un calcul quantique s'accumulent rapidement lorsqu'on augmente la complexité du circuit, ce qui fait que le calcul n'est plus fiable. De plus, les pertes optiques dans les sources limitent le nombre de photons que l'ordinateur quantique peut produire et traiter.

« Dans ce travail, nous avons trouvé un moyen de résoudre ce problème et, ce faisant, nous avons développé la première source de photons intégrée compatible avec la photonique quantique à grande échelle. Pour obtenir des photons de haute qualité, nous avons développé une nouvelle technique - "le mélange spontané intermodal à quatre ondes" - où les multiples modes de lumière se propageant à travers un guide d'ondes en silicium sont interférés de manière non linéaire, créant des conditions idéales pour générer des photons uniques."

Avec des collègues de l'Université de Trente en Italie, l'équipe basée au groupe du professeur Anthony Laing dans les laboratoires de technologie d'ingénierie quantique de Bristol (QETLabs) a comparé l'utilisation de telles sources pour l'informatique quantique photonique dans une expérience annoncée à Hong-Ou-Mandel, un élément constitutif du traitement optique de l'information quantique, et a obtenu l'interférence quantique photonique sur puce de la plus haute qualité jamais observée (visibilité de 96 %).

Le Dr Paesani a déclaré :« L'appareil a démontré de loin les meilleures performances pour n'importe quelle source de photons intégrée :pureté spectrale et indiscernabilité de 99 % et> 90 % d'efficacité d'annonce de photons."

Surtout, le dispositif photonique au silicium a été fabriqué via des procédés compatibles CMOS dans une fonderie commerciale, ce qui signifie que des milliers de sources peuvent facilement être intégrées sur un seul appareil. La recherche, financé par le pôle informatique et simulation quantique du Conseil de recherche en génie et en sciences physiques (EPSRC) et le Conseil européen de la recherche (ERC), représente une étape majeure vers la construction de circuits quantiques à grande échelle et ouvre la voie à plusieurs applications.

« Nous avons résolu un ensemble critique de bruits qui limitaient auparavant la mise à l'échelle du traitement de l'information quantique photonique. Par exemple, des réseaux de centaines de ces sources peuvent être utilisés pour construire des machines photoniques quantiques bruitées à échelle intermédiaire (NISQ) à court terme, où des dizaines de photons peuvent être traités pour résoudre des tâches spécialisées, comme la simulation de la dynamique moléculaire ou certains problèmes d'optimisation liés à la théorie des graphes."

Maintenant, les chercheurs ont conçu comment construire des sources de photons presque parfaites, au cours des prochains mois, l'évolutivité de la plate-forme Silicon leur permettra d'en intégrer des dizaines à des centaines sur une seule puce. Le développement de circuits à une telle échelle permettra aux machines quantiques photoniques NISQ de résoudre des problèmes d'importance industrielle dépassant les capacités des supercalculateurs actuels.

"En outre, avec optimisation avancée et miniaturisation de la source de photons, notre technologie pourrait conduire à des opérations quantiques tolérantes aux pannes dans la plate-forme photonique intégrée, libérer tout le potentiel des ordinateurs quantiques, " a déclaré le Dr Paesani.