Premières étapes vers un réseau quantique photonique

Des chercheurs ont développé les briques élémentaires pour créer les circuits complexes de la photonique quantique afin de créer des réseaux quantiques.


Des chercheurs ont développé les briques élémentaires pour créer les circuits complexes de la photonique quantique afin de créer des réseaux quantiques.
Une image d'une émission directionelle de photons. Elle montre les calculs de l'émission du photon dans une source de photon unique. Si le spin du point quantique pointe vers le haut, alors le photon sera émis dans une direction (bleu). Si le Spin pointe vers le bas, alors le photon sera émis dans la direction opposée (rouge) - Crédit : Sahand Mahmoodian and Søren Stobbe, NBI

La technologie quantique basée sur la lumière est connue comme la de la même manière que l’électronique est basée sur les électrons. Les photons (les particules de lumière) et les électrons se comportent différemment au niveau quantique. Une entité quantique est la plus petite unité dans le monde microscopique. Par exemple, les photons sont les composants fondamentaux de la lumière et les électrons sont les composants du courant électrique. Les électrons sont des fermions qu’on peut isoler facilement pour conduire un seul électron à la fois. En revanche, les photons sont des bosons qui préfèrent partir ensemble. Mais étant donné que l’information pour la se basant sur la photonique utilise un seul photon, il est nécessaire de les envoyer un par un. Les travaux seront publié dans la revue Nature.

Une capacité considérable pour stocker l’information

L’information basée sur les photons possède de nombreux avantages. Les photons ont une interaction très faible avec l’environnement contrairement aux électrons et les photons ne perdent pas de l’énergie lorsqu’ils traversent de grandes distances. Les photons sont donc très adaptés pour transporter l’information et un basé sur des photons sera capable d’encoder plus d’informations par rapport à la technologie actuelle et cette information est totalement invulnérable contre l’espionnage.

Le contrôle des photons

Un prérequis pour les réseaux quantiques est la capacité de créer un flux de photons uniques à la demande et c’est ce que les chercheurs du Niels Bohr Institute ont réussi à faire. Nous avons développé une puce photonique qui fonctionne comme un pistolet photonique. La puce photonique consiste en un petit cristal d’une largeur de 10 microns (un micron fait un millième d’un millimètre) et il a une épaisseur de 160 nanomètres (un nanomètre est un millième du micron). Au milieu de la puce, on a une source de lumière connue comme le point quantique.

Une illustration du pistolet photonique. Un point quantique (le symbole jaune) émet un seul photon (le paquet d'ondes rouges) à la fois. Le point quantique est intégré dans une structure de cristal photonique qu'on obtient en créant des trous (cercles noirs) dans un matériau semiconducteur. A cause des trous, les photons ne peuvent pas partir dans toutes les directions, mais uniquement le long du guide à ondes qui est formé par le chemin sans aucun trou - Crédit : Søren Stobbe, NBI

Une illustration du pistolet photonique. Un point quantique (le symbole jaune) émet un seul photon (le paquet d’ondes rouges) à la fois. Le point quantique est intégré dans une structure de cristal photonique qu’on obtient en créant des trous (cercles noirs) dans un matériau semiconducteur. A cause des trous, les photons ne peuvent pas partir dans toutes les directions, mais uniquement le long du guide à ondes qui est formé par le chemin sans aucun trou – Crédit : Søren Stobbe, NBI

Quand on illumine le point quantique avec un laser, cela excite un électron qui saute d’une orbite à une autre en émettant un seul photon à la fois. Les photons sont généralement émis dans toutes les directions, mais la puce photonique est conçue pour que tous les photons soient envoyés via un guide à ondes photoniques selon Peter Lodahl, professeur et responsable du groupe de recherche du Quantum Photonics au Niels Bohr Institute.

Dans un processus long et laborieux, le groupe de recherche a développé et testé une puce photonique jusqu’à ce qu’il soit la plus performante possible. Et Peter Lodahl explique sa surprise quand son équipe a découvert qu’ils pouvaient émettre un photon d’une manière qui n’était pas envisagée auparavant. Normalement, les photons sont transmis dans les deux directions dans le guide à ondes photonique, mais dans leur puce photonique, ils pouvaient casser la symétrie et faire en sorte que le point quantique puisse émettre un photon à droite ou à gauche ce qui suggère des photons directionnels.

Cela implique un contrôle total sur les photons et les chercheurs explorent désormais la possibilité de construire un réseau quantique complet en se basant sur cette découverte. On peut envoyer les photons sur de longues distances dans les câbles de fibre optique sans quasiment aucune perte. Vous pouvez construire potentiellement un réseau où tous les photons se connectent à des petits systèmes quantiques qui sont ensuite associés ensemble pour former un réseau quantique, soit un selon Peter Lodahl. Mais le chemin est long, car il faudra beaucoup d’efforts et de temps pour créer des réseaux quantiques à grandes échelles.

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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