Dans les communications haut de gamme du 21e siècle, l'information voyage sous la forme d'un flux d'impulsions lumineuses voyageant généralement à travers des câbles à fibres optiques. Chaque impulsion peut être aussi faible qu'un seul photon, la plus petite unité possible (quantique) de lumière. La vitesse à laquelle de tels systèmes peuvent fonctionner dépend de manière critique de la rapidité et de la précision avec laquelle les détecteurs à l'extrémité de réception peuvent discriminer et traiter ces photons.

Aujourd'hui, les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mis au point une méthode capable de détecter des photons individuels à une vitesse 10 fois plus rapide que la meilleure technologie existante, avec des taux d'erreur plus faibles, efficacité de détection plus élevée, et moins de bruit.

« Alors que la communication et la détection classiques peuvent fonctionner à des vitesses fulgurantes, systèmes quantiques, qui ont besoin de cette sensibilité ultime pour les impulsions les plus faibles, sont limités à des vitesses beaucoup plus faibles, " a déclaré le chef du groupe Alan Migdall. " Combiner cette sensibilité ultime avec la capacité de réaliser le comptage de photons à des taux élevés a été un défi de longue date. Ici, nous repoussons les deux limites de performances dans le même appareil."

L'innovation du NIST implique une refonte majeure du système électronique de contrôle entourant un détecteur de bête de somme appelé une diode d'avalanche à photon unique (SPAD) dans laquelle un photon entrant déclenche une rafale de courant minuscule mais mesurable à travers un semi-conducteur. Les SPAD sont utilisés non seulement dans les communications optiques, mais aussi dans le lidar (un pendant à haute fréquence du radar) et d'autres types d'imagerie 3D, et en PET scan, entre autres utilisations.

Une tension est appliquée aux bornes du semi-conducteur. Lorsqu'un photon frappe le détecteur, son énergie absorbée expulse un électron d'un atome dans le semi-conducteur, le même effet photoélectrique qui génère de l'électricité dans les panneaux solaires.

Cet électron libre est accéléré par la tension appliquée et provoque une sorte de réaction en chaîne dans laquelle un grand nombre d'atomes adjacents libèrent une "avalanche" d'électrons, tout comme une petite contrainte supplémentaire peut provoquer l'effondrement d'une montagne entière de neige. Ce courant d'avalanche est le signal de sortie. Finalement, le dispositif est réinitialisé en éteignant le courant avec une contre-tension et en rétablissant la tension initiale appliquée. Parce que l'avalanche implique un si grand nombre d'électrons, ramener l'ensemble du système à un état silencieux où il est prêt à détecter un autre photon est un défi.

Un SPAD conventionnel peut détecter de 1 million à 10 millions de photons par seconde. Cela peut sembler rapide, mais cela ne suffit pas pour répondre aux besoins croissants des communications modernes. Augmenter le taux, cependant, a été problématique en raison des nombreux compromis impliqués.

Par exemple, l'épaisseur de la couche d'absorption que le photon entrant frappe détermine la probabilité que l'appareil capte ce photon entrant :absorbeurs épais (environ 0,1 mm, environ la largeur d'un cheveu humain) ont une probabilité plus élevée de capture de photons en raison de leur plus grande profondeur; des couches plus minces ont plus de chance que le photon passe à travers sans être détecté.

Mais plus l'absorbeur est épais, plus la tension appliquée doit être élevée. Et des tensions plus élevées peuvent produire des avalanches plus importantes, suffisamment grandes pour surchauffer l'appareil, réduire l'efficacité de détection ainsi qu'augmenter le risque de fausses "post-impulsions" dans lesquelles les électrons restants piégés dans le semi-conducteur déclenchent une avalanche secondaire après la réinitialisation du SPAD.

Pour réduire les postpulses, il est nécessaire de réinitialiser le système en deux nanosecondes (milliardièmes de seconde) ou moins. Les modules conventionnels qui détectent le courant puis appliquent la trempe ne peuvent pas fonctionner aussi vite, limitant historiquement les performances des SPAD à absorbeur épais à environ 10 millions de coups par seconde ou moins. Il a généralement été supposé que les SPADS à absorbeur épais ne sont pas adaptés à des comptes de taux plus élevés.

Pour surmonter ces problèmes dans un dispositif à absorbeur épais, l'équipe du NIST, qui a rendu compte de ses résultats en Lettres de physique appliquée — a commencé à expérimenter un système électronique avancé pour un SPAD à absorbeur épais disponible dans le commerce.

Comme beaucoup de ces systèmes, le SPAD est activé et désactivé à plusieurs reprises, c'est-à-dire il est réinitialisé en continu par une tension alternative appliquée à une certaine fréquence. Par conséquent, la période de temps la plus longue pendant laquelle le SPAD peut produire une avalanche est l'intervalle de porte. "Les fréquences de déclenchement typiques pour ces types de SPAD ont été limitées à pas plus de 150 mégahertz, " a déclaré Michael Wayne, associé du NIST, premier auteur de l'article de revue. [1 MHz est un million de cycles par seconde.]

"Cela signifie que le SPAD est capable d'avalancher pendant six ou sept nanosecondes, " Dit Wayne. " Même si cela peut ne pas sembler long, il est suffisamment long pour que l'appareil soit à la fois complètement saturé de charge, ce qui augmente les postpulsations indésirables, et suffisamment chaud à des taux de comptage élevés pour réduire son efficacité de détection. Un déclenchement à une fréquence plus élevée, réduisant ainsi la durée maximale d'une avalanche, réduirait ces deux effets. Mais parce que l'avalanche n'est pas autorisée à se développer aussi longtemps, il peut devenir trop petit pour détecter le "bruit" causé par l'ouverture et la fermeture du portail."

Pour surmonter ce problème, l'équipe a développé une méthode similaire aux écouteurs antibruit :appliquer un signal radiofréquence qui compense exactement le bruit. Cela leur a permis de faire fonctionner le SPAD à un milliard de cycles par seconde (un gigahertz, GHz).

En soustrayant le bruit, a déclaré le chef de projet Joshua Bienfang, « nous sommes en mesure de révéler des avalanches extrêmement petites. De plus, la haute fréquence signifie que la porte est ouverte pendant seulement 500 picosecondes. [Un ps est un trillionième de seconde. 500 ps correspond à une demi-nanoseconde.] Cela se traduit par une réduction du courant d'avalanche moyen d'environ un facteur 500, abaisser à la fois les effets de postpulsation et d'auto-échauffement, et nous permettant de compter jusqu'à 100 millions par seconde."

"La nouvelle conception SPAD pourrait trouver des utilisations pratiques dans les applications de la communication quantique et du calcul quantique, ", a déclaré Migdall. "Les deux offrent des capacités impossibles avec la communication et le calcul conventionnels. Et ces deux applications bénéficieraient d'une vitesse plus rapide, détecteurs de photons uniques à faible bruit."

"Cette nouvelle conception est susceptible d'avoir un impact sur un certain nombre d'applications quantiques. Elles vont de la détection de photons uniques, où des taux de comptage plus rapides et un bruit plus faible réduisent le temps des mesures existantes, à l'Internet quantique émergent, qui repose essentiellement sur la détection de photons uniques pour la communication quantique et le calcul quantique. On peut s'attendre à ce que ces deux éléments aient un impact très substantiel sur notre société et notre économie. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.