La photonique de silicium ouvre la voie à des applications à grande échelle dans l'information quantique.

15 juillet 2024

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par SPIE

Dans un bond significatif pour la technologie quantique, des chercheurs ont atteint une étape dans l'exploitation de la dimension de fréquence au sein de la photonique intégrée. Cette percée promet non seulement des progrès dans l'informatique quantique, mais pose également les bases pour des réseaux de communications ultra-sécurisés.

La photonique intégrée, la manipulation de la lumière dans de minuscules circuits sur des puces de silicium, a depuis longtemps promis des applications quantiques en raison de sa scalabilité et de sa compatibilité avec l'infrastructure télécom existante.

Dans une étude publiée dans Advanced Photonics, des chercheurs du Centre des Nanosciences et Nanotechnologies (C2N), de Télécom Paris et de STMicroelectronics (STM) ont surmonté les limitations précédentes en développant des résonateurs en forme d'anneau en silicium avec une empreinte inférieure à 0,05 mm2 capables de générer plus de 70 canaux de fréquence distincts espacés de 21 GHz.

Cela permet la parallélisation et le contrôle indépendant de 34 portes de qubit simples en utilisant seulement trois dispositifs électro-optiques standards. Le dispositif peut efficacement générer des paires de photons entrelacés par fréquence qui sont facilement manipulables - composants critiques dans la construction de réseaux quantiques.

L'innovation clé réside dans leur capacité à exploiter ces séparations de fréquence étroites pour créer et contrôler des états quantiques. En utilisant des résonateurs en forme d'anneau intégrés, ils ont réussi à générer des états entrelacés par fréquence grâce à un processus appelé mélange spontané à quatre ondes. Cette technique permet aux photons d'interagir et de devenir entrelacés, une capacité cruciale pour la construction de circuits quantiques.

Ce qui distingue cette recherche est sa praticité et sa scalabilité. En exploitant le contrôle précis offert par leurs résonateurs en silicium, les chercheurs ont démontré le fonctionnement simultané de 34 portes de qubit simples en utilisant seulement trois dispositifs électro-optiques standards. Cette percée permet la création de réseaux quantiques complexes où plusieurs qubits peuvent être manipulés indépendamment et en parallèle.

Pour valider leur approche, l'équipe a réalisé des expériences au C2N, montrant une tomographie de l'état quantique sur 17 paires de qubits maximisants entrelacés à travers différents groupes de fréquences. Cette caractérisation détaillée a confirmé la fidélité et la cohérence de leurs états quantiques, marquant une étape significative vers l'informatique quantique pratique.

Peut-être plus remarquablement, les chercheurs ont atteint une étape dans le networking en établissant ce qu'ils croient être le premier réseau quantique de cinq utilisateurs entièrement connecté dans le domaine des fréquences. Cette réalisation ouvre de nouvelles voies pour les protocoles de communication quantique, qui reposent sur la transmission sécurisée d'informations encodées dans des états quantiques.

À l'avenir, cette recherche met en lumière non seulement la puissance de la photonique en silicium dans l'avancement des technologies quantiques, mais ouvre également la voie à de futures applications dans l'informatique quantique et les communications sécurisées. Grâce aux progrès continus, ces plateformes de photonique intégrée pourraient révolutionner les industries qui dépendent de la transmission sécurisée des données, offrant des niveaux de puissance de calcul et de sécurité des données sans précédent.

L'auteur correspondant, le Dr Antoine Henry du C2N et de Télécom Paris, souligne, "Notre travail met en évidence comment les groupes de fréquences peuvent être exploités pour des applications à grande échelle dans l'information quantique. Nous pensons que cela offre des perspectives pour des architectures scalables en domaine de fréquence pour des communications quantiques efficaces en ressources."

Henry note que les photons uniques aux longueurs d'onde de télécommunications sont idéaux pour les applications du monde réel. L'exploitation des réseaux de fibres optiques existants avec la photonique intégrée permet la miniaturisation, la stabilité et le potentiel de scalabilité pour une complexité accrue des dispositifs, et donc une génération efficace et personnalisée de paires de photons pour mettre en œuvre des réseaux quantiques avec un encodage en fréquence à la longueur d'onde de télécommunications.

Les implications de cette recherche sont vastes. En exploitant la dimension de fréquence dans la photonique intégrée, les chercheurs ont débloqué des avantages clés tels que la scalabilité, la résilience au bruit, la parallélisation et la compatibilité avec les techniques de multiplexage télécom existantes. Alors que le monde se rapproche de la réalisation du plein potentiel des technologies quantiques, cette étape rapportée par les chercheurs du C2N, de Télécom Paris et de STM, sert de phare, guidant vers un avenir où les réseaux quantiques offrent une communication sécurisée.

Provided by SPIE