Les chercheurs ont développé une nouvelle source de photons photonique sur silicium compatible CMOS qui satisfait à toutes les exigences nécessaires à l'informatique quantique photonique à grande échelle. La recherche représente une étape importante vers des sources de photons uniques idéales pouvant être fabriquées en masse.
Il existe un effort généralisé pour développer des ordinateurs quantiques à puce, car les processus de fabrication CMOS matures utilisés pour fabriquer les puces informatiques d'aujourd'hui pourraient considérablement réduire le coût du traitement de l'information quantique à grande échelle. Bien que les chercheurs aient démontré de nombreux composants nécessaires à la fabrication d'ordinateurs quantiques dans des puces de silicium, une source de photons unique sur puce s'est avérée difficile en raison de la demande stricte de créer des photons de haute qualité.
Stefano Paesani de l'Université de Bristol au Royaume-Uni présentera la nouvelle recherche à l'OSA entièrement virtuel Frontières en optique et la conférence Laser Science APS/DLS (FiO + LS) qui se tiendra du 14 au 17 septembre.
"En démontrant des sources de photons à faible bruit répondant simultanément à toutes les exigences des ordinateurs quantiques photoniques à grande échelle, nous avons surmonté un défi crucial qui avait limité la mise à l'échelle des technologies photoniques quantiques, " a déclaré Paesani. " Les techniques développées dans ce travail pourraient accélérer le développement de technologies quantiques à l'échelle des puces fabriquées en masse de plusieurs années. De telles technologies promettent d'énormes accélérations quantiques de calcul, des communications sécurisées inconditionnellement, et des capteurs améliorés quantiques."
Créer des photons de qualité
Comme le nom l'indique, les sources à photons uniques émettent de la lumière sous forme de photons uniques. Ils sont un élément clé des ordinateurs quantiques optiques, qui utilisent les photons pour transporter des données sous forme de qubits. Les qubits peuvent être dans deux états en même temps et vont interférer, ou corréler, avec l'un l'autre, permettant à de nombreux processus d'être exécutés simultanément.
Les sources de photons uniques utilisées en informatique quantique ont des exigences très strictes. Ils doivent être hautement indiscernables et purs, soit quasi déterministe, soit hautement efficace, et adapté à la fabrication en série. Pour répondre à toutes ces exigences, Paesani et ses collaborateurs ont conçu une nouvelle source de photons uniques basée sur un mélange spontané intermodal à quatre ondes dans un guide d'ondes en silicium multimode.
L'approche intermodale des sources de photons sur puce, où une interaction entre plusieurs champs de pompe optique est utilisée pour générer des photons, permet de nouveaux degrés de liberté pour contrôler l'émission de photons. En adaptant la géométrie d'un guide d'ondes multimode à faibles pertes et le délai temporel sur puce entre les champs de pompage, l'équipe de recherche a montré que les propriétés de l'émission spontanée de photons pouvaient être modifiées pour obtenir des photons presque idéaux.
Pour tester le nouveau design, les chercheurs ont fabriqué des dispositifs à photon unique sur du silicium sur isolant standard en utilisant des processus de lithographie compatibles CMOS sur une plaquette commerciale. Les tests des appareils ont révélé que les guides d'ondes multimodes réduisaient considérablement les pertes de transmission, permettant une efficacité d'annonce intrinsèque de la source d'environ 90 %. Une efficacité d'annonce élevée est nécessaire pour augmenter le traitement quantique.
Les chercheurs ont également effectué une interférence de photons sur puce, ce qui est essentiel pour les calculs quantiques. Ces expériences ont produit une visibilité des données brutes de 96 %, le plus élevé rapporté à ce jour en photonique intégrée. Cette réalisation permet des opérations quantiques sur puce entre les photons à un niveau de précision sans précédent, ouvrant la possibilité d'étendre le traitement des photons à faible bruit dans les dispositifs photoniques quantiques à court terme.
Les chercheurs affirment que la source de photons uniques pourrait être encore améliorée avec un meilleur laser de pompe et en utilisant un processus de fabrication plus uniforme.
