Un microrésonateur en silicium (à gauche, image SEM) fournit une source paramétrique à large bande pour les paires de photons intriqués en fréquence à 21 GHz de distance afin de réaliser des réseaux quantiques à grande échelle codés en fréquence. Le résultat est un réseau entièrement connecté et sans nœud de confiance où les utilisateurs sont reliés par un état intriqué en fréquence à deux qubits. Crédit : Photonique avancée (2024). DOI: 10.1117/1.AP.6.3.036003
Les chercheurs ont franchi une étape importante dans l’exploitation de la dimension fréquentielle au sein de la photonique intégrée, ce qui représente une avancée majeure pour la technologie quantique. Cette avancée promet non seulement des avancées dans le domaine de l’informatique quantique, mais pose également les bases de réseaux de communication ultra-sécurisés.
La photonique intégrée, la manipulation de la lumière dans de minuscules circuits sur des puces de silicium, est depuis longtemps prometteuse pour les applications quantiques en raison de son évolutivité et de sa compatibilité avec l’infrastructure de télécommunications existante.
Dans une étude publiée dans Photonique avancéeDes chercheurs du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N), de Télécom Paris et de STMicroelectronics (STM) ont surmonté les limitations précédentes en développant des résonateurs annulaires en silicium avec une empreinte inférieure à 0,05 mm2 capable de générer plus de 70 canaux de fréquence distincts espacés de 21 GHz.
Ce dispositif permet la parallélisation et le contrôle indépendant de 34 portes à qubits simples à l’aide de seulement trois dispositifs électro-optiques standards. Le dispositif peut générer efficacement des paires de photons intriqués à fréquence variable qui sont facilement manipulables, des composants essentiels 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. À l’aide de résonateurs annulaires intégrés, ils ont réussi à générer des états intriqués en fréquence grâce à un processus connu sous le nom de mélange spontané à quatre ondes. Cette technique permet aux photons d’interagir et de s’intriquer, une capacité cruciale pour la construction de circuits quantiques.
Ce qui distingue cette recherche, c’est son côté pratique et son évolutivité. En exploitant le contrôle précis offert par leurs résonateurs en silicium, les chercheurs ont démontré le fonctionnement simultané de 34 portes à qubits simples en utilisant seulement trois dispositifs électro-optiques du commerce. Cette avancée permet la création de réseaux quantiques complexes dans lesquels plusieurs qubits peuvent être manipulés indépendamment et en parallèle.
Pour valider leur approche, l’équipe a réalisé des expériences au C2N, montrant une tomographie d’état quantique sur 17 paires de qubits à intrication maximale sur différentes plages de fréquences. Cette caractérisation détaillée a confirmé la fidélité et la cohérence de leurs états quantiques, marquant une étape importante vers l’informatique quantique pratique.
Les chercheurs ont notamment franchi une étape importante dans le domaine des réseaux en établissant ce qu’ils croient être le premier réseau quantique à cinq utilisateurs entièrement connecté dans le domaine des fréquences. Cette avancée ouvre de nouvelles perspectives pour les protocoles de communication quantique, qui reposent sur la transmission sécurisée d’informations codées dans des états quantiques.
À l’avenir, cette recherche démontre non seulement la puissance de la photonique sur silicium dans l’avancement des technologies quantiques, mais ouvre également la voie à de futures applications dans le domaine de l’informatique quantique et des communications sécurisées. Grâce à des avancées continues, ces plateformes photoniques intégrées pourraient révolutionner les secteurs qui dépendent de la transmission sécurisée des données, en offrant des niveaux de puissance de calcul et de sécurité des données sans précédent.
Le Dr Antoine Henry, auteur correspondant du C2N et de Télécom Paris, déclare : « Nos travaux mettent en évidence la manière dont les bacs de fréquence peuvent être exploités pour des applications à grande échelle dans le domaine de l’information quantique. Nous pensons qu’ils offrent des perspectives pour des architectures évolutives dans le domaine des fréquences pour des communications quantiques à haute dimension et économes en ressources. »
Henry note que les photons uniques aux longueurs d’onde des télécommunications sont idéaux pour les applications du monde réel. L’exploitation des réseaux de fibre optique existants avec la photonique intégrée permet la miniaturisation, la stabilité et l’évolutivité potentielles pour une complexité accrue des appareils, et donc une génération efficace et personnalisée de paires de photons pour mettre en œuvre des réseaux quantiques avec codage de fréquence à la longueur d’onde des télécommunications.
Les implications de cette recherche sont vastes. En exploitant la dimension fréquentielle dans la photonique intégrée, les chercheurs ont découvert des avantages clés, notamment l’évolutivité, la résilience au bruit, la parallélisation et la compatibilité avec les techniques de multiplexage des télécommunications existantes. Alors que le monde se rapproche de la réalisation du plein potentiel des technologies quantiques, cette étape importante rapportée par les chercheurs du C2N, de Télécom Paris et de la STM sert de phare, ouvrant la voie vers un avenir où les réseaux quantiques offriront une communication sécurisée.
Plus d’information:
Antoine Henry et al, Parallélisation de portes quantiques dans le domaine fréquentiel : manipulation et distribution de paires de photons intriqués en fréquence générées par un microrésonateur en silicium de 21 GHz, Photonique avancée (2024). Référence d’intérêt : 10.1117/1.AP.6.3.036003.
Citation:La photonique sur silicium ouvre la voie à des applications à grande échelle dans l’information quantique (2024, 15 juillet) récupéré le 16 juillet 2024 à partir de
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