Le monde moderne est alimenté par des circuits électriques sur une "puce" - la puce semi-conductrice qui sous-tend les ordinateurs, téléphones portables, l'Internet, et d'autres applications. En 2025, les humains devraient créer 175 zettaoctets (175 billions de gigaoctets) de nouvelles données. Comment assurer la sécurité des données sensibles à un volume aussi élevé ? Et comment pouvons-nous résoudre des problèmes de type grand défi, de la confidentialité et de la sécurité au changement climatique, exploiter ces données, surtout compte tenu de la capacité limitée des ordinateurs actuels?

Une alternative prometteuse est l'émergence des technologies de communication et de calcul quantiques. Pour que cela se produise, cependant, cela nécessitera le développement généralisé de nouveaux circuits optiques quantiques puissants; des circuits capables de traiter en toute sécurité les énormes quantités d'informations que nous générons chaque jour. Des chercheurs du département de génie chimique et de science des matériaux de la famille Mork de l'USC ont fait une percée pour aider à activer cette technologie.

Alors qu'un circuit électrique traditionnel est une voie le long de laquelle les électrons d'une charge électrique circulent, un circuit optique quantique utilise des sources lumineuses qui génèrent des particules lumineuses individuelles, ou photons, sur demande, un à la fois, jouant le rôle de bits porteurs d'informations (bits quantiques ou qubits). Ces sources lumineuses sont des "points quantiques" semi-conducteurs de taille nanométrique - de minuscules collections fabriquées de dizaines de milliers à un million d'atomes emballées dans un volume de taille linéaire inférieure à un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain typique enfoui dans une matrice d'un autre semi-conducteur approprié. .

Ils se sont jusqu'à présent avérés être les générateurs de photons uniques à la demande les plus polyvalents. Le circuit optique nécessite que ces sources de photons uniques soient disposées sur une puce semi-conductrice selon un motif régulier. Les photons de longueur d'onde presque identique provenant des sources doivent ensuite être libérés dans une direction guidée. Cela leur permet d'être manipulés pour former des interactions avec d'autres photons et particules pour transmettre et traiter des informations.

Jusqu'à maintenant, il y a eu un obstacle important au développement de tels circuits. Par exemple, dans les techniques de fabrication actuelles, les points quantiques ont des tailles et des formes différentes et s'assemblent sur la puce à des emplacements aléatoires. Le fait que les points aient des tailles et des formes différentes signifie que les photons qu'ils libèrent n'ont pas des longueurs d'onde uniformes. Ceci et le manque d'ordre de position les rendent impropres à une utilisation dans le développement de circuits optiques.

Dans des travaux récemment publiés, des chercheurs de l'USC ont montré que des photons uniques peuvent en effet être émis de manière uniforme à partir de points quantiques disposés selon un motif précis. Il convient de noter que la méthode d'alignement des points quantiques a d'abord été développée à l'USC par le principal PI, Professeur Anupam Madhukar, et son équipe il y a près de trente ans, bien avant l'activité de recherche explosive actuelle en information quantique et l'intérêt pour les sources de photons uniques sur puce. Dans ce dernier ouvrage, l'équipe de l'USC a utilisé de telles méthodes pour créer des points quantiques uniques, avec leurs remarquables caractéristiques d'émission de photons uniques. On s'attend à ce que la capacité d'aligner avec précision des points quantiques à émission uniforme permettra la production de circuits optiques, potentiellement conduire à de nouvelles avancées dans l'informatique quantique et les technologies de communication.

L'oeuvre, Publié dans Photonique APL , était dirigé par Jiefei Zhang, actuellement professeur adjoint de recherche au département de génie chimique et de science des matériaux de la famille Mork, avec l'auteur correspondant Anupam Madhukar, Kenneth T. Norris, professeur d'ingénierie et professeur de génie chimique, Ingénierie électrique, La science des matériaux, et Physique.

"Cette percée ouvre la voie aux prochaines étapes nécessaires pour passer de la démonstration en laboratoire de la physique du photon unique à la fabrication à l'échelle de la puce de circuits photoniques quantiques, " a déclaré Zhang. " Cela a des applications potentielles dans la communication quantique (sécurisée), imagerie, la détection et les simulations et calculs quantiques."

Madhukar a déclaré qu'il est essentiel que les points quantiques soient ordonnés de manière précise afin que les photons libérés par deux ou plusieurs points puissent être manipulés pour se connecter les uns aux autres sur la puce. Cela constituera la base de l'unité de construction pour les circuits optiques quantiques.

"Si la source d'où proviennent les photons est située au hasard, cela ne peut pas se produire », a déclaré Madhukar.

"La technologie actuelle qui nous permet de communiquer en ligne, par exemple en utilisant une plateforme technologique telle que Zoom, est basé sur la puce électronique intégrée au silicium. Si les transistors de cette puce ne sont pas placés dans des emplacements conçus exactement, il n'y aurait pas de circuit électrique intégré, " Madhukar a déclaré. "C'est la même exigence pour les sources de photons telles que les points quantiques pour créer des circuits optiques quantiques."

La recherche est soutenue par l'Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) et l'U.S. Army Research Office (ARO).

"Cette avancée est un exemple important de la façon dont la résolution des défis fondamentaux de la science des matériaux, comme comment créer des points quantiques avec une position et une composition précises, peut avoir de grandes implications en aval pour des technologies comme l'informatique quantique, " a déclaré Evan Runnerstrom, gestionnaire de programme, Bureau de recherche de l'armée, un élément du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine. "Cela montre comment les investissements ciblés d'ARO dans la recherche fondamentale soutiennent les efforts de modernisation durables de l'armée dans des domaines comme le réseautage."

Pour créer la disposition précise des points quantiques pour les circuits, l'équipe a utilisé une méthode appelée SESRE (substrate-coded size-reducing epitaxy) développée dans le groupe Madhukar au début des années 1990. Dans les travaux en cours, l'équipe a fabriqué des réseaux réguliers de mesas de taille nanométrique avec une orientation de bord définie, forme (parois) et profondeur sur un substrat semi-conducteur plat, composé d'arséniure de gallium (GaAs). Des points quantiques sont ensuite créés au-dessus des mesas en ajoutant des atomes appropriés à l'aide de la technique suivante.

D'abord, les atomes de gallium (Ga) entrants se rassemblent au sommet des mesas à l'échelle nanométrique attirés par les forces énergétiques de surface, où ils déposent GaAs. Puis, le flux entrant est commuté sur des atomes d'indium (In), pour déposer à son tour de l'arséniure d'indium (InAs) suivi d'atomes de Ga pour former des GaAs et ainsi créer les points quantiques individuels souhaités qui finissent par libérer des photons uniques. Pour être utile pour créer des circuits optiques, l'espace entre les nano-mesas en forme de pyramide doit être rempli par un matériau qui aplatit la surface. La puce finale où GaAs opaque est représentée comme une surcouche translucide sous laquelle se trouvent les points quantiques.

"Ce travail établit également un nouveau record mondial de points quantiques ordonnés et évolutifs en termes de pureté simultanée d'émission de photons uniques supérieure à 99,5%, et en terme d'uniformité de la longueur d'onde des photons émis, qui peut être aussi étroit que 1,8 nm, ce qui est un facteur de 20 à 40 mieux que les points quantiques typiques, " dit Zhang.

Zhang a dit qu'avec cette uniformité, il devient possible d'appliquer des méthodes établies telles que le chauffage local ou les champs électriques pour affiner les longueurs d'onde des photons des points quantiques afin qu'ils correspondent exactement les uns aux autres, ce qui est nécessaire pour créer les interconnexions requises entre les différents points quantiques pour les circuits.

Cela signifie que pour la première fois, les chercheurs peuvent créer des puces photoniques quantiques évolutives à l'aide de techniques de traitement de semi-conducteurs bien établies. En outre, les efforts de l'équipe se concentrent maintenant sur l'établissement de l'identité des photons émis à partir des mêmes et/ou de différents points quantiques. Le degré d'indiscernabilité est au cœur des effets quantiques d'interférence et d'intrication, qui sous-tendent le traitement de l'information quantique - la communication, sentir, imagerie, ou informatique.

Zhang a conclu :« Nous avons maintenant une approche et une plate-forme matérielle pour fournir des sources évolutives et ordonnées générant des photons uniques potentiellement indiscernables pour les applications d'information quantique. L'approche est générale et peut être utilisée pour d'autres combinaisons de matériaux appropriées pour créer des points quantiques émettant sur une large gamme de longueurs d'onde préférées pour différentes applications, par exemple la communication optique à base de fibre ou le régime moyen infrarouge, adapté à la surveillance environnementale et au diagnostic médical, " dit Zhang.

Gernot S. Pomrenke, Chargé de programme AFOSR, Optoelectronics and Photonics a déclaré que des matrices fiables de sources de photons uniques à la demande sur puce constituaient un grand pas en avant.

"Cette croissance impressionnante et les travaux de science des matériaux s'étendent sur trois décennies d'efforts dédiés avant que les activités de recherche en information quantique ne soient généralisées, " a déclaré Pomrenke. " Le financement initial de l'AFOSR et les ressources d'autres agences du DoD ont été essentiels à la réalisation du travail et de la vision stimulants de Madhukar, ses élèves, et collaborateurs. Il y a de fortes chances que le travail révolutionne les capacités des centres de données, diagnostic médical, défense et technologies connexes.