Le circuit à puce pour la lumière pourrait être appliqué aux calculs quantiques

La capacité de transmettre et de manipuler, avec une perte minimale, la plus petite unité de lumière – le photon – joue un rôle central dans les communications optiques ainsi que dans la conception d’ordinateurs quantiques qui utiliseraient la lumière plutôt que des charges électriques pour stocker et transporter des informations.

Aujourd’hui, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont connecté, sur une seule micropuce, des points quantiques – des atomes artificiels qui génèrent des photons individuels rapidement et à la demande lorsqu’ils sont éclairés par un laser – avec des circuits miniatures qui peuvent guider la lumière sans perte significative d’intensité.

Pour créer les circuits à très faibles pertes, les chercheurs ont fabriqué des guides d’ondes en nitrure de silicium – les canaux par lesquels les photons voyageaient – et les ont enterrés dans du dioxyde de silicium. Les canaux étaient larges mais peu profonds, une géométrie qui réduisait la probabilité que les photons se dispersent hors des guides d’ondes. L’encapsulation des guides d’ondes dans du dioxyde de silicium a également contribué à réduire la diffusion.

Les scientifiques ont rapporté que leurs circuits prototypes avaient une perte d’intensité égale à seulement 1 % des circuits similaires – utilisant également des points quantiques – qui avaient été fabriqués par d’autres équipes.

En fin de compte, les appareils qui intègrent cette nouvelle technologie de puce pourraient tirer parti des propriétés étranges de la mécanique quantique pour effectuer des calculs complexes que les circuits classiques (non quantiques) pourraient ne pas être capables de faire.

Par exemple, selon les lois de la mécanique quantique, un seul photon a une probabilité de résider à deux endroits différents, tels que deux guides d’ondes différents, en même temps. Ces probabilités peuvent être utilisées pour stocker des informations ; un photon individuel peut agir comme un bit quantique, ou qubit, qui transporte beaucoup plus d’informations que le bit binaire d’un ordinateur classique, qui est limité à une valeur de 0 ou 1.

Pour effectuer les opérations nécessaires à la résolution de problèmes de calcul, ces qubits de photons, qui voyagent tous à la même vitesse et ne se distinguent pas les uns des autres, doivent arriver simultanément à des nœuds de traitement spécifiques du circuit. Cela pose un défi car les photons provenant d’emplacements différents – et voyageant le long de différents guides d’ondes – à travers le circuit peuvent se trouver à des distances très différentes des points de traitement. Pour assurer une arrivée simultanée, les photons émis plus près de la destination désignée doivent retarder leur voyage, donnant à ceux qui se trouvent dans des guides d’ondes plus éloignés une longueur d’avance.

Le circuit conçu par des chercheurs du NIST, dont Ashish Chanana et Marcelo Davanco, ainsi qu’une équipe internationale de collègues, permet des retards importants car il utilise des guides d’ondes de différentes longueurs qui peuvent stocker des photons pendant des périodes de temps relativement longues. Par exemple, les chercheurs calculent qu’un guide d’ondes de 3 mètres de long (étroitement enroulé pour que son diamètre sur une puce ne soit que de quelques millimètres) aurait une probabilité de 50 % de transmettre un photon avec un retard de 20 nanosecondes (milliardièmes de deuxième). En comparaison, les dispositifs précédents, développés par d’autres équipes et fonctionnant dans des conditions similaires, se limitaient à induire des temporisations d’un centième seulement.

Les temps de retard plus longs obtenus avec le nouveau circuit sont également importants pour les opérations dans lesquelles les photons d’un ou plusieurs points quantiques doivent arriver à un emplacement spécifique à des intervalles de temps équidistants. De plus, le circuit à points quantiques à faible perte pourrait augmenter considérablement le nombre de photons uniques disponibles pour transporter des informations quantiques sur une puce, permettant des systèmes de calcul et de traitement de l’information plus grands, plus rapides et plus fiables.

Les scientifiques, qui comprennent des chercheurs de l’Université de Californie à Santa Barbara (UCSB), du Massachusetts Institute of Technology (MIT), de l’Institut coréen des sciences et technologies et de l’Université de São Paulo au Brésil, ont rendu compte de leurs conclusions le 11 décembre à Communication Nature.

Le circuit hybride se compose de deux composants, chacun initialement construit sur une puce séparée. L’un, un dispositif semi-conducteur à l’arséniure de gallium conçu et fabriqué au NIST, héberge les points quantiques et canalise directement les photons uniques qu’ils génèrent dans un second dispositif, un guide d’ondes en nitrure de silicium à faible perte développé à l’UCSB.

Pour marier les deux composants, les chercheurs du MIT ont d’abord utilisé la pointe métallique fine d’une microsonde de sélection et de placement, agissant comme un pied de biche miniature, pour extraire le dispositif à l’arséniure de gallium de la puce construite au NIST. Ils l’ont ensuite placé au-dessus du circuit de nitrure de silicium sur l’autre puce.

Les chercheurs sont confrontés à plusieurs défis avant que le circuit hybride puisse être utilisé en routine dans un dispositif photonique. À l’heure actuelle, seuls 6 % environ des photons individuels générés par les points quantiques peuvent être acheminés vers le circuit. Cependant, des simulations suggèrent que si l’équipe modifie l’angle auquel les photons sont canalisés, parallèlement à des améliorations du positionnement et de l’orientation des points quantiques, le taux pourrait dépasser 80 %.

Un autre problème est que les points quantiques n’émettent pas toujours des photons uniques exactement à la même longueur d’onde, une exigence pour créer les photons indiscernables nécessaires aux opérations de calcul quantique. L’équipe explore plusieurs stratégies, notamment l’application d’un champ électrique constant aux points, qui pourraient atténuer ce problème.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation du NIST. Lire l’histoire originale ici.