Une équipe de chercheurs allemands et espagnols de Valence, Münster, Augsbourg, Berlin et Munich a réussi à contrôler les quanta de lumière individuels avec un degré de précision extrêmement élevé. Dans Communication Nature, les chercheurs rapportent comment, au moyen d’une onde sonore, ils commutent des photons individuels sur une puce entre deux sorties à des fréquences gigahertz. Cette méthode, démontrée ici pour la première fois, peut maintenant être utilisée pour les technologies quantiques acoustiques ou les réseaux photoniques intégrés complexes.
Les ondes lumineuses et les ondes sonores constituent l’épine dorsale technologique des communications modernes. Alors que les fibres de verre avec lumière laser forment le World Wide Web, les ondes sonores à l’échelle nanométrique sur les puces traitent les signaux à des fréquences gigahertz pour une transmission sans fil entre smartphones, tablettes ou ordinateurs portables. L’une des questions les plus urgentes pour l’avenir est de savoir comment ces technologies peuvent être étendues aux systèmes quantiques, pour construire des réseaux de communication quantiques sécurisés (c’est-à-dire sans écoute).
« Les quanta de lumière ou les photons jouent un rôle très central dans le développement des technologies quantiques », déclare le physicien, le professeur Hubert Krenner, qui dirige l’étude à Münster et Augsbourg. « Notre équipe a maintenant réussi à générer des photons individuels sur une puce de la taille d’une vignette, puis à les contrôler avec une précision sans précédent, cadencés avec précision au moyen d’ondes sonores », dit-il.
Le Dr Mauricio de Lima, qui fait des recherches à l’Université de Valence et coordonne les travaux qui y sont menés, ajoute : « Nous connaissions le principe de fonctionnement de notre puce en ce qui concerne la lumière laser conventionnelle, mais maintenant, en utilisant des quanta de lumière, nous avons réussi à faire la percée tant souhaitée vers les technologies quantiques. »
Dans leur étude, les chercheurs ont fabriqué une puce équipée de minuscules « chemins conducteurs » pour les quanta de lumière, appelés guides d’ondes. Ils sont environ 30 fois plus fins qu’un cheveu humain. De plus, cette puce contenait des sources de lumière quantique, appelées points quantiques.
Le Dr Matthias Weiß de l’Université de Münster a réalisé les expériences optiques et ajoute : « Ces points quantiques, d’une taille de quelques nanomètres seulement, sont des îlots à l’intérieur des guides d’ondes qui émettent de la lumière sous forme de photons individuels. Les points quantiques sont inclus dans notre puce et nous n’avons donc pas besoin d’utiliser des méthodes compliquées pour générer des photons individuels au moyen d’une autre source. »
Le Dr Dominik Bühler, qui a conçu les puces quantiques dans le cadre de son doctorat. à l’Université de Valence, souligne la rapidité de la technologie : « En utilisant des ondes sonores à l’échelle nanométrique, nous sommes capables de commuter directement les photons sur la puce entre deux sorties à une vitesse sans précédent lors de leur propagation dans les guides d’ondes. »
Les chercheurs considèrent leurs résultats comme une étape importante sur la voie des technologies quantiques hybrides car ils combinent trois systèmes quantiques différents : les sources de lumière quantique sous la forme de points quantiques, les quanta de lumière créés et les phonons (les particules quantiques dans l’onde sonore). Les puces quantiques hybrides – conçues à l’Université de Valence et fabriquées à l’Institut Paul Drude d’électronique à semi-conducteurs à l’aide de points quantiques produits à l’Université technique de Munich – ont dépassé les attentes de l’équipe de recherche.
L’équipe internationale a franchi une nouvelle étape décisive vers les technologies quantiques acoustiques. « Nous travaillons déjà d’arrache-pied pour améliorer notre puce afin de pouvoir programmer l’état quantique des photons comme nous le souhaitons, voire contrôler plusieurs photons de couleurs différentes entre quatre sorties ou plus », explique le Dr Mauricio de Lima, avec un vue vers l’avenir.
Le professeur Hubert Krenner ajoute : « Nous bénéficions ici d’une force unique que possèdent nos ondes sonores à l’échelle nanométrique : comme ces ondes se propagent pratiquement sans perte à la surface de la puce, nous pouvons contrôler avec précision presque autant de guides d’ondes que nous le souhaitons avec un seul. vague – et avec un degré de précision extrêmement élevé. »
Plus d’information:
Dominik D. Bühler et al, Génération sur puce et rotation piézo-optomécanique dynamique de photons uniques, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-34372-9
Fourni par Westfälische Wilhelms-Universität Münster