Schéma du nanofaisceau InP intégré et du guide d'onde en silicium. Crédit :UNIST
Une équipe internationale de chercheurs, affilié à UNIST a présenté une technologie de base pour les dispositifs photoniques quantiques utilisés dans le traitement de l'information quantique. Ils ont proposé de combiner des points quantiques pour générer de la lumière et des technologies photoniques au silicium pour manipuler la lumière sur un seul appareil.
Cette percée a été menée par le professeur Je-Hyung Kim de l'École des sciences naturelles de l'UNIST en collaboration avec le professeur Edo Waks et un groupe de chercheurs de l'Université du Maryland, États Unis.
Dans cette étude, l'équipe de recherche a démontré l'intégration de dispositifs photoniques au silicium avec un émetteur de photons à semi-conducteurs. Ils ont utilisé une approche hybride combinant des guides d'ondes photoniques en silicium avec des points quantiques InAs/InP qui agissent comme des sources efficaces de photons uniques à des longueurs d'onde de télécommunication couvrant la bande O et la bande C.
En informatique classique, un bit est une information unique qui peut exister dans deux états, zéro ou un. Les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques qui peuvent occuper une superposition englobant les deux à la fois. Il existe plusieurs approches potentiellement fructueuses du traitement de l'information quantique, y compris l'atome, léger, et des dispositifs supraconducteurs. Cependant, l'avenir de l'informatique quantique, comme l'état quantique lui-même, reste incertain. Le professeur Kim se concentre sur le traitement de l'information quantique à l'aide de la lumière. Les bits quantiques peuvent être implémentés en utilisant l'état polarisé de la lumière, sa durée, et les informations sur l'itinéraire, semblable aux spins des électrons.
Une source de lumière quantique récemment développée présente les caractéristiques de la physique quantique, y compris la superposition, intrication quantique, et théorème de non-clonage. Cela a permis des technologies d'application innovantes, tels que les simulateurs quantiques, transfert d'état quantique, et la cryptographie quantique. Cependant, afin de commercialiser les technologies utilisées pour la technologie actuelle de traitement de l'information quantique, il est nécessaire de réaliser des expériences d'optique quantique directement sur le dispositif photonique. Selon l'équipe de recherche, une telle innovation pourrait être le précurseur des circuits quantiques, qui devraient jouer un grand rôle dans l'avenir des ordinateurs quantiques et de la communication.
Image au microscope électronique à balayage du nanofaisceau fabriqué qui est suspendu par de fines attaches qui le fixent au substrat en vrac. Crédit :UNIST
"Afin de construire des dispositifs optiques quantiques intégrés à base de photons, il est nécessaire de produire le plus de sources lumineuses quantiques possibles dans une même puce, " dit le professeur Kim. " Grâce à cette étude, nous avons proposé la forme de base des dispositifs optiques quantiques en produisant une source de lumière quantique hautement efficace avec des points quantiques et en créant la voie pour manipuler la lumière à l'aide de substrats en silicium. »
Les points quantiques sont des particules ultrafines ou des nanocristaux d'un matériau semi-conducteur dont le diamètre est compris entre deux et 10 nanomètres (un nanomètre correspond à un milliardième de mètre). En général, les points quantiques prennent la forme de composés. Cependant, à mesure que la taille diminue, ils commencent à présenter une structure énergétique discontinue, ce qui a pour résultat d'avoir des propriétés similaires à la lumière émise par les atomes. Bien que les points quantiques aient été utilisés avec succès comme sources de photons uniques très efficaces, ils avaient du mal à contrôler la lumière.
Dans l'étude, l'équipe de recherche a démontré l'intégration de dispositifs photoniques au silicium avec un émetteur de photons à semi-conducteurs. Ici, ils ont utilisé une approche hybride qui combine des guides d'ondes photoniques en silicium avec des points quantiques InAs/InP qui agissent comme des sources efficaces de photons uniques à des longueurs d'onde de télécommunication couvrant la bande O et la bande C. Ensuite, ils ont retiré les points quantiques via une procédure de sélection et de placement avec une pointe de microsonde combinée à un faisceau d'ions focalisé et un microscope électronique à balayage. Cette technique a permis de transférer des nanofaisceaux d'InP coniques contenant des points quantiques d'InAs sur un guide d'ondes en silicium avec une précision à l'échelle nanométrique.
« Cette intégration ouvre la possibilité de tirer parti des capacités photoniques très avancées développées dans le silicium pour contrôler et acheminer la lumière non classique à partir de sources de photons uniques à la demande, " note l'équipe de recherche. " De plus, les dispositifs fabriqués fonctionnent à des longueurs d'onde de télécommunication et peuvent être commandés électriquement, qui sont utiles pour la communication quantique basée sur la fibre."
Le dispositif optique quantique, développé par l'équipe de recherche a réussi à transférer l'émission des points quantiques le long des circuits photoniques en silicium avec un rendement élevé. En utilisant ceci, ils intègrent également avec succès un séparateur de faisceau photonique au silicium sur puce pour effectuer une mesure Hanbury-Brown et Twiss.
"Notre approche pourrait permettre l'intégration de dispositifs photoniques quantiques III-V précaractérisés dans des structures photoniques à grande échelle pour permettre des dispositifs complexes composés de nombreux émetteurs et photons, " dit le professeur Kim.
