Détection améliorée quantique pour les communications sans fil à l’échelle des puces

La demande de partage et de traitement rapides des données a déclenché une course à une plus grande bande passante dans les systèmes de communication sans fil. Ceci est décrit par la loi d’Edholm, qui stipule que la bande passante et les débits de données doublent environ tous les ans et demi. Alors que nos réseaux sans fil approchent de leurs limites, la quête de débits de données encore plus rapides incite les chercheurs à explorer des territoires inexplorés : des bandes de fréquences plus élevées comme les ondes millimétriques, le térahertz et les fréquences optiques.

Bien que la longueur d’onde millimétrique ait été adoptée dans les systèmes sans fil à courte portée, il en faudra davantage pour répondre aux demandes futures. La communication optique sans fil offre une bande passante élevée mais est confrontée à des défis en raison des réglementations de sécurité et des problèmes de bruit. La communication térahertz pourrait fournir des débits de données incroyablement rapides pour les applications quotidiennes, même celles à l’échelle d’une puce comme les microprocesseurs intégrés.

L’informatique moderne s’appuie fortement sur des processeurs multicœurs, des appareils miniatures contenant plusieurs unités de traitement. Dernièrement, les fabricants ont amélioré les performances en ajoutant davantage d’unités de traitement et en réduisant la taille des systèmes de puces. Cela a conduit à une augmentation significative du nombre de composants informatiques individuels dans un espace réduit, rendant les connexions entre eux plus complexes. Cependant, les méthodes conventionnelles de connexion de ces pièces sont inefficaces et peuvent ralentir le système.

Pour relever ce défi, une solution intéressante émerge : utiliser des méthodes de communication sans fil fonctionnant dans la gamme térahertz. Ces méthodes peuvent établir des connexions sans fil rapides et efficaces entre les différents composants du système. Cependant, la mise en œuvre efficace de ces technologies nécessite l’intégration de différents composants pour traiter les signaux au sein du récepteur du système. Cela implique les tâches cruciales de détection et de décodage des informations du signal transmis. De plus, l’alignement de l’antenne du récepteur avec la longueur d’onde spécifique du signal porteur térahertz présente une difficulté pour rendre le récepteur compact.

En conséquence, l’approche actuelle aboutit souvent à des récepteurs encombrants, lourds et peu fiables. Cette limitation a incité les chercheurs à se concentrer sur le développement de technologies de récepteurs innovantes qui sont non seulement petites et légères, mais qui consomment également moins d’énergie.

Notre équipe de recherche a dévoilé un cadre théorique complet : un détecteur et démodulateur de signaux térahertz à l’échelle quantique. Cette approche innovante exploite le comportement quantique des porteurs de charge lorsqu’ils sont exposés à une conduite périodique intense. Nos résultats ont été publiés dans la revue Physique Scripta.

Dans le domaine de la physique de la matière condensée, l’utilisation des interactions lumière-matière pour conduire les matériaux quantiques dans des états éloignés de l’équilibre est essentielle pour dévoiler de nouvelles phases quantiques qui restent inaccessibles dans des contextes d’équilibre. Parmi les méthodes couramment citées, l’ingénierie Floquet se démarque. Cette technique permet aux chercheurs d’explorer de nombreux nouveaux états quantiques qui émergent lorsqu’un système est soumis à un rayonnement puissant et périodique. [1, 2, 3].

Grâce à l’ingénierie Floquet, nous avons montré que la conductivité d’un puits quantique semi-conducteur bidimensionnel est liée linéairement à la fréquence du rayonnement appliqué dans une plage spécifique. Le fondement de nos découvertes réside dans la compréhension du fait que soumettre un semi-conducteur bidimensionnel à un entraînement périodique améliore sa conductivité électrique.

Cette amélioration est due à l’altération des fonctions d’onde électronique par le champ appliqué, entraînant une réduction de la probabilité de diffusion électron-impureté. [4]. Cette découverte ouvre la voie à un récepteur sans fil quantique conçu pour détecter et trier les données sans fil modulées en fréquence à la plus petite échelle.

Tirant parti de cette avancée, nous avons effectué des simulations numériques démontrant la faisabilité de la création d’un démodulateur de fréquence quantique sans fil fonctionnant dans la gamme térahertz pour les communications sans fil à courte portée. Notre enquête introduit une nouvelle approche pour recevoir et décoder des signaux modulés numériquement couvrant le spectre térahertz, obtenue grâce à l’utilisation d’un simple puits quantique semi-conducteur de quelques nanomètres d’épaisseur basé sur une hétérostructure GaAs/AlGaAs.

Les résultats de nos recherches révèlent un domaine inexploré de possibilités extraordinaires qui pourraient transformer la technologie de communication sans fil à l’échelle des puces. Avec un potentiel d’efficacité améliorée et une conception rationalisée, nos découvertes ouvrent des possibilités pour les dispositifs, circuits et éléments sans fil de nouvelle génération. Cette avancée ouvre la porte à un spectre diversifié d’applications, englobant l’avancement de la communication sans fil, du radar et de la technologie quantique.

Cette histoire fait partie de Dialogue Science Xoù les chercheurs peuvent rendre compte des résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d’informations sur ScienceX Dialog et comment y participer.

Kosala Herath est doctorant et membre du Laboratoire de calcul avancé et de simulations (qdresearch.net) de l’Ingénierie des systèmes électriques et informatiques de l’Université Monash, Australie.

Le professeur Ampalavanapillai Nirmalathas est actuellement vice-doyen à la recherche à la Faculté d’ingénierie et de technologie de l’information, responsable du Wireless Innovation Lab (WILAB) et professeur de génie électrique et électronique.

Sarath D. Gunapala est physicien du solide et chercheur principal au Jet Propulsion Laboratory (JPL) California Institute of Technology Pasadena, Californie. Il dirige le groupe de photonique infrarouge au Jet Propulsion Laboratory.

Malin Premaratne a obtenu plusieurs diplômes de l’Université de Melbourne, dont un B.Sc. en mathématiques, un BE en génie électrique et électronique (avec mention très bien) et un doctorat en 1995, 1995 et 1998, respectivement. Actuellement, il est vice-président du conseil académique de Monash Universi.