Les photons optiques sont des vecteurs idéaux d’informations quantiques. Mais pour travailler ensemble dans un ordinateur ou un réseau quantique, ils doivent avoir la même couleur (ou fréquence) et la même bande passante. Changer la fréquence d’un photon nécessite de modifier son énergie, ce qui est particulièrement difficile sur les puces photoniques intégrées.
Récemment, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé un modulateur électro-optique intégré capable de modifier efficacement la fréquence et la bande passante de photons uniques. L’appareil pourrait être utilisé pour l’informatique quantique plus avancée et les réseaux quantiques.
La recherche est publiée dans Lumière : science et applications.
La conversion d’un photon d’une couleur à une autre se fait généralement en envoyant le photon dans un cristal avec un laser puissant qui le traverse, un processus qui a tendance à être inefficace et bruyant. La modulation de phase, dans laquelle l’oscillation de l’onde photonique est accélérée ou ralentie pour modifier la fréquence du photon, offre une méthode plus efficace, mais le dispositif requis pour un tel processus, un modulateur de phase électro-optique, s’est avéré difficile à intégrer sur une puce.
Un matériau peut être particulièrement adapté à une telle application : le niobate de lithium en couche mince.
« Dans notre travail, nous avons adopté une nouvelle conception de modulateur sur du niobate de lithium à couche mince qui a considérablement amélioré les performances de l’appareil », a déclaré Marko Lončar, professeur Tiantsai Lin de génie électrique à SEAS et auteur principal de l’étude. « Avec ce modulateur intégré, nous avons atteint des décalages de fréquence térahertz record de photons uniques. »
L’équipe a également utilisé le même modulateur comme « lentille temporelle » – une loupe qui dévie la lumière dans le temps au lieu de l’espace – pour changer la forme spectrale d’un photon de gros à maigre.
« Notre appareil est beaucoup plus compact et économe en énergie que les appareils en vrac traditionnels », a déclaré Di Zhu, le premier auteur de l’article. « Il peut être intégré à une large gamme de dispositifs classiques et quantiques sur la même puce pour réaliser un contrôle de la lumière quantique plus sophistiqué. »
Di est un ancien boursier postdoctoral à SEAS et est actuellement chercheur scientifique à l’Agence pour la science, la recherche et la technologie (A * STAR) à Singapour.
Ensuite, l’équipe vise à utiliser l’appareil pour contrôler la fréquence et la bande passante des émetteurs quantiques pour des applications dans les réseaux quantiques.
La recherche était une collaboration entre Harvard, MIT, HyperLight et A*STAR.
L’article a été co-écrit par Changchen Chen, Mengjie Yu, Linbo Shao, Yaowen Hu, CJ Xin, Matthew Yeh, Soumya Ghosh, Lingyan He, Christian Reimer, Neil Sinclair, Franco NC Wong et Mian Zhang.
Plus d’information:
Di Zhu et al, Contrôle spectral des impulsions lumineuses non classiques à l’aide d’un modulateur de niobate de lithium à couche mince intégré, Lumière : science et applications (2022). DOI : 10.1038/s41377-022-01029-7