La technologie quantique est très prometteuse :dans quelques années à peine, les ordinateurs quantiques devraient révolutionner les recherches dans les bases de données, systèmes d'IA, et des simulations informatiques. Aujourd'hui déjà, la cryptographie quantique peut garantir un transfert de données absolument sécurisé, quoique avec des limites. La plus grande compatibilité possible avec notre électronique actuelle à base de silicium sera un avantage clé. Et c'est précisément là que les physiciens du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de la TU Dresden ont fait des progrès remarquables :l'équipe a conçu une source lumineuse à base de silicium pour générer des photons uniques qui se propagent bien dans les fibres de verre.

La technologie quantique repose sur la capacité de contrôler le plus précisément possible le comportement des particules quantiques, par exemple en enfermant des atomes individuels dans des pièges magnétiques ou en envoyant des particules lumineuses individuelles - appelées photons - à travers des fibres de verre. Ce dernier est à la base de la cryptographie quantique, une méthode de communication qui est, en principe, à l'épreuve des écoutes :tout voleur de données potentiel interceptant les photons détruit inévitablement leurs propriétés quantiques. Les expéditeurs et les destinataires du message le remarqueront et pourront arrêter la transmission compromise à temps.

Cela nécessite des sources lumineuses qui délivrent des photons uniques. De tels systèmes existent déjà, notamment à base de diamants, mais ils ont un défaut :"Ces sources de diamant ne peuvent générer des photons qu'à des fréquences qui ne sont pas adaptées à la transmission par fibre optique, " explique le physicien du HZDR, le Dr Georgy Astakhov. " Ce qui est une limitation importante pour une utilisation pratique. " Astakhov et son équipe ont donc décidé d'utiliser un matériau différent, le silicium, un matériau de base électronique éprouvé.

100, 000 photons uniques par seconde

Pour que le matériau génère les photons infrarouges nécessaires à la communication par fibre optique, les experts l'ont soumis à un traitement spécial, tirer sélectivement du carbone dans le silicium avec un accélérateur au HZDR Ion Beam Center. Cela a créé ce qu'on appelle des centres G dans le matériau - deux atomes de carbone adjacents couplés à un atome de silicium formant une sorte d'atome artificiel.

Lorsqu'il est rayonné avec une lumière laser rouge, cet atome artificiel émet les photons infrarouges souhaités à une longueur d'onde de 1,3 micromètre, une fréquence parfaitement adaptée à la transmission par fibre optique. "Notre prototype peut en produire 100, 000 photons uniques par seconde, " Astakhov rapporte. " Et c'est stable. Même après plusieurs jours de fonctionnement continu, nous n'avons observé aucune détérioration." Cependant, le système ne fonctionne que dans des conditions extrêmement froides - les physiciens utilisent de l'hélium liquide pour le refroidir à une température de moins 268 degrés Celsius.

"Nous avons pu montrer pour la première fois qu'une source monophotonique à base de silicium est possible, " Le collègue d'Astakhov, le Dr Yonder Berencén, est heureux de rapporter. " Cela permet essentiellement d'intégrer de telles sources avec d'autres composants optiques sur une puce. " Entre autres choses, il serait intéressant de coupler la nouvelle source lumineuse avec un résonateur pour résoudre le problème que les photons infrarouges émergent en grande partie de la source de manière aléatoire. Pour une utilisation dans la communication quantique, cependant, il faudrait générer des photons à la demande.

Source de lumière sur une puce

Ce résonateur pourrait être réglé pour atteindre exactement la longueur d'onde de la source lumineuse, ce qui permettrait d'augmenter le nombre de photons générés au point qu'ils soient disponibles à un instant donné. "Il a déjà été prouvé que de tels résonateurs peuvent être construits en silicium, " rapporte Berencén. " Le chaînon manquant était une source à base de silicium pour les photons uniques. Et c'est exactement ce que nous avons maintenant été en mesure de créer."

Mais avant de pouvoir envisager des applications pratiques, les chercheurs du HZDR doivent encore résoudre certains problèmes, comme une production plus systématique des nouvelles sources télécoms à photon unique. "Nous allons essayer d'implanter le carbone dans le silicium avec plus de précision, " explique Georgy Astakhov. " HZDR avec son centre de faisceaux ioniques fournit une infrastructure idéale pour réaliser des idées comme celle-ci. "