Alors que le buzz grandit de plus en plus sur l’avenir du quantique, les chercheurs du monde entier travaillent des heures supplémentaires pour découvrir la meilleure façon de débloquer la promesse de particules quantiques superpositionnées, intriquées, à effet tunnel ou autrement prêtes pour le primetime, dont la capacité à se produire en deux états à la fois pourraient considérablement augmenter la puissance et l’efficacité dans de nombreuses applications.
Du point de vue du développement, cependant, les appareils quantiques d’aujourd’hui sont « à peu près là où se trouvait l’ordinateur dans les années 1950 », c’est-à-dire le tout début. C’est selon Kamyar Parto, un doctorat en sixième année. étudiant au laboratoire UC Santa Barbara de Galan Moody, expert en photonique quantique et professeur adjoint de génie électrique et informatique.
Parto est co-auteur principal d’un article publié dans la revue Nano-lettresdécrivant une avancée clé : le développement d’une sorte d' »usine » sur puce pour produire un flux régulier et rapide de photons uniques, essentiel pour activer les technologies quantiques basées sur la photonique.
Aux premiers stades du développement informatique, explique Parto, « les chercheurs venaient de fabriquer le transistor, et ils avaient des idées sur la façon de faire un commutateur numérique, mais la plate-forme était plutôt faible. Différents groupes ont développé différentes plates-formes, et finalement, tout le monde a convergé sur le CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire). Ensuite, nous avons eu l’énorme explosion autour des semi-conducteurs. »
« La technologie quantique est dans un endroit similaire – nous avons l’idée et une idée de ce que nous pourrions en faire, et il existe de nombreuses plates-formes concurrentes, mais pas encore de gagnant clair », poursuit-il. « Vous avez des qubits supraconducteurs, des qubits de spin en silicium, des qubits de spin électrostatiques et des ordinateurs quantiques basés sur des pièges à ions. Microsoft essaie de créer des qubits topologiquement protégés, et au Moody Lab, nous travaillons sur la photonique quantique. »
Parto prédit que la plate-forme gagnante sera une combinaison de différentes plates-formes, étant donné que chacune est puissante mais a également des limites. « Par exemple, il est très facile de transférer des informations à l’aide de la photonique quantique, car la lumière aime bouger », dit-il.
« Un spin qubit, cependant, facilite le stockage d’informations et la réalisation de « trucs » locaux dessus, mais vous ne pouvez pas déplacer ces données. Alors, pourquoi n’essayons-nous pas d’utiliser la photonique pour transférer les données du plate-forme qui le stocke mieux, puis le transforme à nouveau dans un autre format une fois qu’il est là ? »
Les qubits, ces pilotes au comportement étrange des technologies quantiques, sont bien sûr différents des bits classiques, qui ne peuvent exister que dans un seul état de zéro ou un. Les qubits peuvent être à la fois un et zéro simultanément. Dans le domaine de la photonique, a déclaré Parto, un seul photon peut être amené à exister (état un) et à ne pas exister (état zéro).
C’est parce qu’un seul photon constitue ce qu’on appelle un système à deux niveaux, ce qui signifie qu’il peut exister dans un état zéro, un état, ou n’importe quelle combinaison, comme 50 % un et 50 % zéro, ou peut-être 80 % un et 20% zéro. Cela peut être fait de façon routinière dans le groupe Moody. Le défi est de générer et de collecter des photons uniques avec une efficacité très élevée, par exemple en les acheminant sur une puce à l’aide de guides d’ondes. Les guides d’ondes font exactement ce que leur nom l’indique, guidant la lumière là où elle doit aller, tout comme les fils guident l’électricité.
Parto explique : « Si nous mettons ces photons uniques dans de nombreux guides d’ondes différents – un millier de photons uniques sur chaque guide d’ondes – et que nous chorégraphions en quelque sorte la façon dont les photons se déplacent le long des guides d’ondes sur la puce, nous pouvons effectuer un calcul quantique. »
S’il est relativement simple d’utiliser des guides d’ondes pour acheminer des photons sur une puce, isoler un seul photon n’est pas facile, et mettre en place un système qui en produit des milliards rapidement et efficacement est beaucoup plus difficile. Le nouvel article décrit une technique qui utilise un phénomène particulier pour générer des photons uniques avec une efficacité bien supérieure à celle obtenue auparavant.
« Le travail consiste à amplifier la génération de ces photons uniques afin qu’ils deviennent utiles aux applications réelles », explique Parto. « La percée décrite dans cet article est que nous pouvons désormais générer des photons uniques de manière fiable à température ambiante d’une manière qui se prête au (processus de production de masse) CMOS. »
Il existe différentes façons de générer des photons uniques, mais Parto et ses collègues le font en utilisant des défauts dans certains matériaux semi-conducteurs bidimensionnels (2D), qui n’ont qu’un seul atome d’épaisseur, en retirant essentiellement un peu de matériau pour créer un défaut.
« Si vous faites briller la lumière (générée par un laser) sur le bon type de défaut, le matériau répondra en émettant des photons uniques », explique Parto. « Le défaut dans le matériau agit comme ce qu’on appelle un état de limitation de débit, ce qui lui permet de se comporter comme une usine pour émettre des photons uniques, un à la fois. » Un photon peut être produit aussi souvent que toutes les trois à cinq nanosecondes, mais les chercheurs ne sont pas encore sûrs du taux, et Parto, qui a obtenu son doctorat. sur le thème de l’ingénierie de tels défauts, dit que le rythme actuel pourrait être beaucoup plus lent.
Un grand avantage des matériaux 2D est qu’ils se prêtent à l’intégration de défauts à des endroits spécifiques. De plus, dit Parto, « Les matériaux sont si fins que vous pouvez les ramasser et les mettre sur n’importe quel autre matériau sans être contraint par la géométrie du treillis d’un matériau cristallin 3D. Cela rend le matériau 2D très facile à intégrer, une capacité que nous montrer dans cet article. »
Pour fabriquer un dispositif utile, le défaut sur le matériau 2D doit être placé dans les guides d’ondes avec une extrême précision. « Il y a un point sur le matériau qui produit de la lumière à partir d’un défaut », note Parto, « et nous devons faire passer ce photon unique dans un guide d’ondes. »
Les chercheurs essaient de le faire de plusieurs manières, par exemple en plaçant le matériau sur le guide d’ondes, puis en recherchant un seul défaut existant, mais même si le défaut est précisément aligné et exactement dans la bonne position, l’efficacité d’extraction sera seulement 20 à 30 %. En effet, le défaut unique ne peut émettre qu’à un taux spécifique et une partie de la lumière est émise à des angles obliques, plutôt que directement le long du chemin vers le guide d’ondes. La limite supérieure théorique de cette conception n’est que de 40 %, mais la fabrication d’un dispositif utile pour les applications d’informations quantiques nécessite une efficacité d’extraction de 99,99 %.
« La lumière d’un défaut brille intrinsèquement partout, mais nous préférons qu’elle brille dans ces guides d’ondes », explique Parto. « Nous avons deux choix. Si vous placez des guides d’ondes au-dessus du défaut, peut-être que dix à quinze pour cent de la lumière iraient dans les guides d’ondes. Ce n’est pas suffisant. Mais il existe un phénomène physique, appelé effet Purcell, que nous pouvons utiliser pour augmenter cette efficacité et diriger davantage de lumière dans le guide d’ondes. Vous faites cela en plaçant le défaut à l’intérieur d’une cavité optique – dans notre cas, il a la forme d’un résonateur à micro-anneau, qui est l’une des seules cavités qui vous permet pour coupler la lumière dans et hors d’un guide d’ondes. »
« Si la cavité est suffisamment petite », a-t-il ajouté, « elle éliminera les fluctuations de vide du champ électromagnétique, et ces fluctuations sont à l’origine de l’émission spontanée de photons du défaut dans un mode de lumière. En réduisant cette fluctuation quantique dans une cavité de volume fini, la fluctuation sur le défaut est augmentée, l’amenant à émettre de la lumière préférentiellement dans l’anneau, où elle accélère et devient plus brillante, augmentant ainsi l’efficacité d’extraction. »
Dans les expériences utilisant le résonateur à micro-anneau qui ont été réalisées pour cet article, l’équipe a atteint une efficacité d’extraction de 46 %, ce qui représente une augmentation d’un ordre de grandeur par rapport aux rapports précédents.
« Nous sommes vraiment encouragés par ces résultats, car les émetteurs à photon unique dans les matériaux 2D répondent à certains des défis majeurs auxquels sont confrontés d’autres matériaux en termes d’évolutivité et de fabricabilité », déclare Moody. « À court terme, nous explorerons leur utilisation pour quelques applications différentes dans les communications quantiques, mais à long terme, notre objectif est de continuer à développer cette plate-forme pour l’informatique quantique et la mise en réseau. »
Pour ce faire, le groupe doit améliorer son efficacité à plus de 99 %, et y parvenir nécessitera des anneaux de résonateur en nitrure de meilleure qualité. « Pour améliorer l’efficacité, vous devez lisser l’anneau lorsque vous le découpez dans le film de nitrure de silicium », explique Parto. « Cependant, si le matériau lui-même n’est pas entièrement cristallin, même si vous essayez de le lisser au niveau atomique, les surfaces peuvent toujours sembler rugueuses et ressemblant à une éponge, provoquant la dispersion de la lumière. »
Alors que certains groupes obtiennent le nitrure de la plus haute qualité en l’achetant auprès d’entreprises qui le cultivent parfaitement, explique Parto, « Nous devons le cultiver nous-mêmes, car nous devons placer le défaut sous le matériau, et nous utilisons également un système spécial type de nitrure de silicium qui minimise la lumière de fond pour les applications à photon unique, et les entreprises ne le font pas. »
Parto peut faire pousser ses nitrures dans un four de dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma dans la salle blanche de l’UCSB, mais comme il s’agit d’une installation partagée très utilisée, il n’est pas en mesure de personnaliser certains paramètres qui lui permettraient de faire pousser des matériaux de qualité suffisante. Le plan, dit-il, est d’utiliser ces résultats pour demander de nouvelles subventions qui permettraient « d’obtenir nos propres outils et d’embaucher des étudiants pour faire ce travail ».
Plus d’information:
K. Parto et al, Cavity-Enhanced 2D Material Quantum Emitters Deterministicly Integrated with Silicon Nitride Microresonators, Nano-lettres (2022). DOI : 10.1021/acs.nanolett.2c03151