Des chercheurs de l'Université de Bâle et de la Ruhr-Universität Bochum ont réalisé des points quantiques, de minuscules nanostructures semi-conductrices, qui émettent une lumière proche de la partie rouge du spectre avec un bruit de fond ultra-faible. Les points quantiques pourraient un jour constituer la base des ordinateurs quantiques; les particules légères, aussi appelés photons, serviraient alors de supports d'information. Des points quantiques avec des propriétés optiques adéquates n'avaient été obtenus auparavant que pour des photons avec des longueurs d'onde dans le proche infrarouge. Maintenant, les chercheurs ont réussi à créer des états à faible bruit à des longueurs d'onde comprises entre 700 et 800 nanomètres, c'est-à-dire proche de la plage rouge visible. Ce serait, par exemple, permettre le couplage à d'autres systèmes photoniques. Ils exposent leurs découvertes dans la revue Communication Nature à partir du 21 septembre 2020.

Différentes longueurs d'onde requises

Les systèmes de communication quantique nécessitent des photons de différentes longueurs d'onde. Pour communiquer sur de longues distances, la principale exigence est d'éviter les pertes de signal; longueurs d'onde autour de 1, 550 nanomètres peuvent être utilisés à cette fin. Pour les courtes distances, d'autre part, des photons sont nécessaires qui peuvent être détectés aussi efficacement que possible et connectés à d'autres systèmes de mémoire quantique. Ce serait possible avec la lumière rouge, ou plus précisément avec des longueurs d'onde comprises entre 700 et 800 nanomètres. Les détecteurs de photons actuellement disponibles ont leur sensibilité la plus élevée dans cette gamme. De plus, des particules légères de cette fréquence pourraient être couplées à un système de stockage de rubidium.

Pour que les informations d'un système quantique soient codées avec précision, manipulé et lu, une émission optique stable est cruciale. C'est exactement ce que les chercheurs ont maintenant réalisé pour les photons proches de la plage rouge visible.

Une faible teneur en aluminium est la clé du succès

Le projet était une entreprise collaborative entre une équipe de jeunes physiciens dirigée par le professeur Richard Warburton du groupe de nanophotonique basé à Bâle et le professeur Andreas Wieck, Dr Arne Ludwig, Dr Julian Ritzmann et ses collègues de la Chaire de physique appliquée des solides à Bochum. Les chercheurs ont converti les points quantiques dans un semi-conducteur fait d'arséniure de gallium. Comme le système doit être refroidi à l'hélium liquide, il fonctionne à des températures basses de moins 269 degrés Celsius.

L'un des principaux défis était de concevoir une diode avec des points quantiques à l'arséniure de gallium qui émettent des photons de manière fiable à ces basses températures. L'équipe basée à Bochum a produit des couches d'aluminium-gallium-arséniure avec une concentration en aluminium plus faible que d'habitude, ce qui a amélioré la conductivité et la stabilité des couches. L'équipe Nano-Photonics a ensuite utilisé ce matériau pour les expériences à Bâle.

Système couplé en cours

A l'étape suivante, les chercheurs prévoient de combiner les points quantiques nouvellement développés avec un dispositif de mémoire quantique au rubidium. De telles structures hybrides seraient un premier pas vers des applications pratiques dans le futur réseau de communication quantique.