L’équipe crée des émetteurs à photon unique exactement là où ils sont nécessaires
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Dans un avenir très proche, les ordinateurs quantiques devraient révolutionner notre façon de calculer, avec de nouvelles approches pour les recherches dans les bases de données, les systèmes d’IA, les simulations et plus encore. Mais pour réaliser ces nouvelles applications de la technologie quantique, des circuits intégrés photoniques capables de contrôler efficacement les états quantiques photoniques – les soi-disant qubits – sont nécessaires. Des physiciens du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de la TU Dresden et du Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) ont fait une percée dans cet effort : pour la première fois, ils ont démontré la création contrôlée d’émetteurs à photon unique dans le silicium à l’échelle nanométrique, comme ils le rapportent dans Communication Nature.
Les circuits intégrés photoniques, ou en bref, les PIC, utilisent des particules de lumière, mieux connues sous le nom de photons, par opposition aux électrons qui circulent dans les circuits intégrés électroniques. La principale différence entre les deux : Un circuit intégré photonique fournit des fonctions pour les signaux d’information imposés aux longueurs d’onde optiques typiquement dans le spectre proche infrarouge. “En fait, ces PIC avec de nombreux composants photoniques intégrés sont capables de générer, acheminer, traiter et détecter la lumière sur une seule puce”, déclare le Dr Georgy Astakhov, responsable des technologies quantiques à l’Institut de recherche sur la physique des faisceaux ioniques et les matériaux du HZDR, et ajoute : “Cette modalité est sur le point de jouer un rôle clé dans les technologies futures à venir, telles que l’informatique quantique. Et les PIC ouvriront la voie.”
Auparavant, les expériences de photonique quantique étaient connues pour l’utilisation massive de “l’optique en vrac” répartie sur la table optique et occupant tout le laboratoire. Aujourd’hui, les puces photoniques changent radicalement ce paysage. La miniaturisation, la stabilité et l’adéquation à la production de masse pourraient en faire le cheval de bataille de la photonique quantique moderne.
Du mode aléatoire au mode contrôle
L’intégration monolithique de sources à photon unique de manière contrôlable donnerait une voie économe en ressources pour mettre en œuvre des millions de qubits photoniques dans les PIC. Pour exécuter des protocoles de calcul quantique, ces photons doivent être indiscernables. Avec cela, la production de processeurs quantiques photoniques à l’échelle industrielle deviendrait possible.
Cependant, la méthode de fabrication actuellement établie fait obstacle à la compatibilité de ce concept prometteur avec la technologie des semi-conducteurs d’aujourd’hui.
Dans une première tentative rapportée il y a environ deux ans, les chercheurs étaient déjà capables de générer des photons uniques sur une plaquette de silicium, mais uniquement de manière aléatoire et non évolutive. Depuis, ils ont fait du chemin. « Maintenant, nous montrons comment des faisceaux d’ions focalisés provenant de sources d’ions en alliage de métal liquide sont utilisés pour placer des émetteurs à photon unique aux positions souhaitées sur la plaquette tout en obtenant un rendement de création élevé et une qualité spectrale élevée », explique le Dr Nico Klingner, physicien.
De plus, les scientifiques du HZDR ont soumis les mêmes émetteurs à photon unique à un programme rigoureux de tests de matériaux : après plusieurs cycles de refroidissement et de réchauffement, ils n’ont observé aucune dégradation de leurs propriétés optiques. Ces résultats répondent aux conditions préalables requises pour une production de masse ultérieure.
Pour traduire cette réalisation en une technologie répandue et permettre une ingénierie à l’échelle de la plaquette d’émetteurs de photons individuels à l’échelle atomique compatible avec la fabrication de fonderie établie, l’équipe a mis en œuvre une implantation à large faisceau dans un implanteur commercial à travers un masque défini par lithographie. « Ce travail nous a vraiment permis de tirer parti de la salle blanche de pointe pour le traitement du silicium et des machines de lithographie par faisceau d’électrons de l’usine de fabrication de nano de Rossendorf », explique le Dr Ciarán Fowley, chef du groupe salle blanche et responsable de la nanofabrication et de l’analyse.
En utilisant les deux méthodes, l’équipe peut créer des dizaines d’émetteurs télécom à photon unique à des emplacements prédéfinis avec une précision spatiale d’environ 50 nm. Ils émettent dans la bande O de télécommunication stratégiquement importante et présentent un fonctionnement stable pendant des jours sous excitation en onde continue.
Les scientifiques sont convaincus que la réalisation d’une fabrication contrôlable d’émetteurs monophotoniques dans le silicium en fait un candidat très prometteur pour les technologies quantiques photoniques, avec une voie de fabrication compatible avec une intégration à très grande échelle. Ces émetteurs à photon unique sont désormais technologiquement prêts pour la production dans les usines de fabrication de semi-conducteurs et leur intégration dans l’infrastructure de télécommunication existante.
