Les ordinateurs quantiques ultra-rapides et les appareils de communication pourraient révolutionner d'innombrables aspects de nos vies, mais d'abord, les chercheurs ont besoin d'un rapide, source efficace des paires de photons enchevêtrés que ces systèmes utilisent pour transmettre et manipuler des informations. C'est exactement ce que des chercheurs du Stevens Institute of Technology ont fait, non seulement créer une source de photons sur puce 100 fois plus efficace qu'auparavant, mais en mettant à portée de main l'intégration massive de dispositifs quantiques.

"On a longtemps soupçonné que cela était possible en théorie, mais nous sommes les premiers à le montrer en pratique, " a déclaré Yuping Huang, Gallagher professeur agrégé de physique et directeur du Center for Quantum Science and Engineering.

Pour créer des paires de photons, les chercheurs piègent la lumière dans des microcavités à l'échelle nanométrique soigneusement sculptées; à mesure que la lumière circule dans la cavité, ses photons résonnent et se divisent en paires intriquées. Mais il y a un hic :à l'heure actuelle, de tels systèmes sont extrêmement inefficaces, nécessitant un torrent de lumière laser entrante comprenant des centaines de millions de photons avant qu'une seule paire de photons enchevêtrés ne s'égoutte à contrecœur à l'autre extrémité.

Huang et ses collègues de Stevens ont maintenant développé une nouvelle source de photons basée sur une puce qui est 100 fois plus efficace que n'importe quel appareil précédent, permettant la création de dizaines de millions de paires de photons intriqués par seconde à partir d'un seul faisceau laser alimenté en microwatts.

"C'est une étape importante pour les communications quantiques, " dit Huang, dont les travaux paraîtront dans le numéro du 17 décembre de Lettres d'examen physique .

En travaillant avec les étudiants diplômés de Stevens, Zhaohui Ma et Jiayang Chen, Huang s'est appuyé sur les recherches antérieures de son laboratoire pour sculpter des microcavités de très haute qualité en flocons de cristal de niobate de lithium. Les cavités en forme de piste de course réfléchissent en interne les photons avec très peu de perte d'énergie, permettant à la lumière de circuler plus longtemps et d'interagir avec une plus grande efficacité.

En ajustant des facteurs supplémentaires tels que la température, l'équipe a pu créer une source lumineuse sans précédent de paires de photons enchevêtrés. En pratique, qui permet de produire des paires de photons en quantités bien plus importantes pour une quantité donnée de lumière entrante, réduisant considérablement l'énergie nécessaire pour alimenter les composants quantiques.

L'équipe travaille déjà sur des moyens d'affiner davantage son processus, et disent qu'ils s'attendent à atteindre bientôt le véritable Saint Graal de l'optique quantique :un système avec qui peut transformer un seul photon entrant en une paire intriquée de photons sortants, avec pratiquement aucune perte d'énergie en cours de route. "C'est certainement réalisable, " a déclaré Chen. " À ce stade, nous avons juste besoin d'améliorations progressives. "

Jusque là, l'équipe prévoit de continuer à perfectionner sa technologie, et chercher des moyens d'utiliser leur source de photons pour piloter des portes logiques et d'autres composants d'informatique quantique ou de communication. « Parce que cette technologie est déjà basée sur des puces, nous sommes prêts à passer à l'échelle en intégrant d'autres composants optiques passifs ou actifs, " a expliqué Huang.

Le but ultime, Huang a dit, est de rendre les appareils quantiques si efficaces et peu coûteux à exploiter qu'ils puissent être intégrés dans les appareils électroniques grand public. "Nous voulons faire sortir la technologie quantique du laboratoire, pour qu'il profite à chacun d'entre nous, " a-t-il expliqué. " Un jour, bientôt, nous voulons que les enfants aient des ordinateurs portables quantiques dans leurs sacs à dos, et nous nous efforçons d'en faire une réalité."