Partout dans le monde, des spécialistes travaillent à la mise en œuvre des technologies de l'information quantique. Un chemin important implique la lumière :à l'avenir, des paquets de lumière uniques, également appelés quanta de lumière ou photons, pourraient transmettre des données à la fois codées et efficacement protégées contre les écoutes. À cette fin, de nouvelles sources de photons sont nécessaires pour émettre des quanta de lumière uniques de manière contrôlée et à la demande. Ce n'est que récemment qu'on a découvert que le silicium pouvait héberger des sources de photons uniques avec des propriétés adaptées à la communication quantique. Jusqu'à présent, cependant, personne n'a su intégrer les sources dans les circuits photoniques modernes.

Pour la première fois, une équipe dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a présenté une technologie de production appropriée utilisant des nanopiliers de silicium :une méthode de gravure chimique suivie d'un bombardement ionique. Leurs recherches sont publiées dans le Journal of Applied Physics .

"Les sources de silicium et de photons uniques dans le domaine des télécommunications ont longtemps été le chaînon manquant pour accélérer le développement de la communication quantique par fibres optiques. Nous avons maintenant créé les conditions préalables nécessaires pour cela", explique le Dr Yonder Berencén de l'Institut de recherche ionique du HZDR. Beam Physics and Materials Research qui a dirigé l'étude actuelle. Bien que des sources à photon unique aient été fabriquées dans des matériaux comme le diamant, seules les sources à base de silicium génèrent des particules lumineuses à la bonne longueur d'onde pour proliférer dans les fibres optiques, un avantage considérable à des fins pratiques.

Les chercheurs ont réalisé cette percée technique en choisissant une technique de gravure humide - connue sous le nom de MacEtch (gravure chimique assistée par métal) - plutôt que les techniques conventionnelles de gravure sèche pour traiter le silicium sur une puce. Ces méthodes classiques, qui permettent la création de structures photoniques en silicium, utilisent des ions très réactifs. Ces ions induisent des défauts d'émission de lumière causés par les dommages causés par les radiations dans le silicium. Cependant, ils sont distribués de manière aléatoire et recouvrent le signal optique souhaité de bruit. La gravure chimique assistée par métal, en revanche, ne génère pas ces défauts. Au lieu de cela, le matériau est gravé chimiquement sous une sorte de masque métallique.

L'objectif :des sources de photons uniques compatibles avec le réseau de fibre optique

En utilisant la méthode MacEtch, les chercheurs ont d'abord fabriqué la forme la plus simple d'une structure potentielle de guidage d'ondes lumineuses :des nanopiliers de silicium sur une puce. Ils ont ensuite bombardé les nanopiliers finis avec des ions de carbone, comme ils le feraient avec un bloc de silicium massif, et ont ainsi généré des sources de photons intégrées dans les piliers. L'utilisation de la nouvelle technique de gravure signifie que la taille, l'espacement et la densité de surface des nanopiliers peuvent être contrôlés et ajustés avec précision pour être compatibles avec les circuits photoniques modernes. Par millimètre carré de puce, des milliers de nanopiliers de silicium conduisent et regroupent la lumière des sources en la dirigeant verticalement à travers les piliers.

Les chercheurs ont fait varier le diamètre des piliers car "nous espérions que cela signifierait que nous pourrions créer un seul défaut sur des piliers minces et générer en fait une seule source de photons par pilier", explique Berencén. "Cela n'a pas fonctionné parfaitement la première fois. En comparaison, même pour les piliers les plus minces, la dose de notre bombardement au carbone était trop élevée. Mais maintenant, il n'y a qu'un pas vers les sources de photons uniques."

C'est une étape sur laquelle l'équipe travaille déjà intensivement car la nouvelle technique a également déclenché une sorte de course aux applications futures.

"Mon rêve est d'intégrer tous les blocs de construction élémentaires, d'une seule source de photons via des éléments photoniques à un seul détecteur de photons, sur une seule puce, puis de connecter de nombreuses puces via des fibres optiques commerciales pour former un réseau quantique modulaire", déclare Berencén. + Explorer plus loin

Photons uniques d'une puce de silicium