Une nouvelle voie vers l'envoi et la réception d'informations avec des photons uniques de lumière a été découverte par une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Université du Michigan.

Leur expérience a démontré la possibilité d'utiliser un effet appelé non-linéarité pour modifier et détecter des signaux lumineux extrêmement faibles, tirer parti des changements distincts apportés à un système quantique pour faire progresser l'informatique de prochaine génération.

Aujourd'hui, alors que la technologie de l'information basée sur l'électronique au silicium est de plus en plus limitée par le chauffage et la consommation d'énergie, l'optique non linéaire fait l'objet d'études approfondies en tant que solution potentielle. La boîte à œufs quantique capture et libère des photons, soutenir les états quantiques «excités» pendant qu'il possède l'énergie supplémentaire. Au fur et à mesure que l'énergie dans le système augmente, il faut un plus grand saut d'énergie pour atteindre cet état excité suivant, c'est la non-linéarité.

« Les chercheurs se sont demandé si les effets non linéaires détectables pouvaient être maintenus à des niveaux de puissance extrêmement faibles, jusqu'aux photons individuels. Cela nous amènerait à la limite inférieure fondamentale de la consommation d'énergie dans le traitement de l'information, " dit Hui Deng, professeur de physique et auteur principal de l'article en La nature .

"Nous avons démontré un nouveau type d'État hybride pour nous amener à ce régime, reliant la lumière et la matière à travers un réseau de points quantiques, " elle a ajouté.

Les physiciens et les ingénieurs ont utilisé un nouveau type de semi-conducteur pour créer des points quantiques disposés comme une boîte à œufs. Les points quantiques sont essentiellement de minuscules structures qui peuvent isoler et confiner des particules quantiques individuelles, tels que les électrons et autres, choses étranges. Ces points sont les poches dans la boîte à œufs. Dans ce cas, ils confinent des excitons, quasi-particules constituées d'un électron et d'un « trou ». Un trou apparaît lorsqu'un électron dans un semi-conducteur est projeté dans une bande d'énergie plus élevée, laissant une charge positive à son emplacement habituel. Si le trou masque l'électron dans sa bande d'énergie parallèle, les deux sont considérés comme une seule entité, un exciton.

Dans les dispositifs conventionnels, avec peu ou pas de non-linéarité, les excitons se déplacent librement et se rencontrent à peine. Ces matériaux peuvent contenir de nombreux excitons identiques en même temps sans que les chercheurs ne remarquent de changement dans les propriétés des matériaux.

Cependant, si l'exciton est confiné à une boîte quantique, il devient impossible de mettre un deuxième exciton identique dans la même poche. Vous aurez besoin d'un exciton avec une énergie plus élevée si vous voulez en avoir un autre, ce qui signifie que vous aurez besoin d'un photon d'énergie plus élevée pour le faire. C'est ce qu'on appelle le blocus quantique, et c'est la cause de la non-linéarité.

Mais les points quantiques typiques ne sont que de quelques atomes de diamètre, ils ne sont pas à une échelle utilisable. Comme solution, L'équipe de Deng a créé un ensemble de points quantiques qui contribuent à la non-linéarité à la fois.

L'équipe a produit ce paysage énergétique de carton d'œufs avec deux flocons de semi-conducteur, qui sont considérés comme des matériaux bidimensionnels car ils sont constitués d'une seule couche moléculaire, juste quelques atomes d'épaisseur. Les semi-conducteurs 2D ont des propriétés quantiques très différentes de celles des gros morceaux. Un flocon était du disulfure de tungstène et l'autre était du diséléniure de molybdène. Posés avec un angle d'environ 56,5 degrés entre leurs réseaux atomiques, les deux structures électroniques entrelacées ont créé un plus grand réseau électronique, avec des poches d'environ 10 atomes de diamètre.

Pour que le réseau de points quantiques à l'intérieur du semi-conducteur 2D soit contrôlé en tant que groupe avec la lumière, l'équipe a construit un résonateur en fabriquant un miroir en bas, poser le semi-conducteur dessus, puis déposer un deuxième miroir au-dessus du semi-conducteur.

"Il faut contrôler très finement l'épaisseur pour que le semi-conducteur soit au maximum du champ optique, " dit Zhang Long, chercheur postdoctoral au laboratoire Deng et premier auteur de l'article.

Avec le carton d'œufs quantique intégré dans la "cavité" en miroir qui a permis à la lumière laser rouge de résonner, l'équipe a observé la formation d'un autre état quantique, appelé polariton. Les polaritons sont un hybride des excitons et de la lumière dans la cavité. Cela a confirmé que tous les points quantiques interagissent avec la lumière de concert. Dans ce système, L'équipe de Deng a montré que le fait de mettre quelques excitons dans le carton entraînait un changement mesurable de l'énergie du polariton, démontrant la non-linéarité et montrant qu'un blocus quantique se produisait.

"Les ingénieurs peuvent utiliser cette non-linéarité pour discerner l'énergie déposée dans le système, potentiellement jusqu'à celui d'un seul photon, ce qui rend le système prometteur en tant que commutateur ultra-basse énergie, " dit Deng.

Les commutateurs font partie des appareils nécessaires pour réaliser des calculs à très faible consommation d'énergie, et ils peuvent être intégrés dans des portes plus complexes.

"Les recherches du professeur Deng décrivent comment les non-linéarités de polaritons peuvent être adaptées pour consommer moins d'énergie, " a déclaré Michael Gerhold, responsable de programme au 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. « Le contrôle des polaritons vise la future photonique intégrée utilisée pour le calcul ultra-basse énergie et le traitement de l'information qui pourrait être utilisé pour le traitement neuromorphique des systèmes de vision, traitement du langage naturel ou robots autonomes.

Le blocus quantique signifie également qu'un système similaire pourrait éventuellement être utilisé pour les qubits, les éléments constitutifs du traitement de l'information quantique. Une voie vers l'avant consiste à déterminer comment traiter chaque point quantique du réseau en tant que qubit individuel. Un autre moyen serait d'obtenir le blocus du polariton, similaire au blocus d'exciton vu ici. Dans cette version, le réseau d'excitons, résonner dans le temps avec l'onde lumineuse, serait le qubit.

Utilisé de ces manières, les nouveaux semi-conducteurs 2D ont le potentiel d'amener les dispositifs quantiques à température ambiante, plutôt que le froid extrême de l'azote liquide ou de l'hélium liquide.

"Nous arrivons à la fin de la loi de Moore, " a déclaré Steve Forrest, le Peter A. Franken Distinguished University Professor of Electrical Engineering et co-auteur de l'article, se référant à la tendance de la densité de transistors sur une puce à doubler tous les deux ans. "Les matériaux bidimensionnels ont de nombreuses propriétés électroniques et optiques passionnantes qui peuvent, En réalité, conduis-nous vers cette terre au-delà du silicium."