L'optique quantique sur une puce
Les photons sont des particules intéressantes pour exploiter les phénomènes quantiques car ils ne souffrent pas d'un fort couplage avec le monde extérieur. Les quanta de lumière bénéficient aussi de nombreux degrés de liberté (fréquence, moment linéaire, spin et moment cinétique orbital) sur lesquels on peut injecter des bits quantiques, puis les traiter et les mesurer avec une relative simplicité. Étant donné l'abondante littérature traitant de la façon de contrôler des photons, les chercheurs se sont lancés dans l'étude de systèmes d'optique quantique avancés en vue de réaliser une plateforme photonique évolutive. Le but du projet QUANPHOCHIP (Quantum photonic chip), financé par l'UE, était d'intégrer des systèmes d'optique quantique, comme les guides d'ondes et les coupleurs directionnels destinés à la manipulation de bits quantiques photoniques, sur une puce à l'état solide. Les puces sur silicium étaient le choix évident pour plusieurs raisons. Pour commencer, les dispositifs photoniques sur silicium pourraient être fabriqués avec les techniques classiques de fabrication des circuits CMOS (complementary metal-oxide semiconductor). Ensuite, ceci permettrait leur intégration avec une microélectronique de type CMOS et donc d'ajouter sur la même puce l'électronique de contrôle et de pilotage, réduisant d'autant le coût et la complexité du packaging. Enfin, la compatibilité entre le silicium et des matériaux exotiques (des supraconducteurs, par exemple) permettrait d'intégrer des détecteurs à un seul photon sur la puce, favorisant une interaction non linéaire induite par des mesures entre photons individuels. L'équipe du projet QUANPHOCHIP a utilisé la photonique sur silicium pour démontrer les mesures sans interaction sur une puce; une opération qui était réalisée auparavant avec l'optique de volume traditionnelle. Elle a utilisé la capacité d'un seul photon pour révéler les propriétés d'une onde et d'une particule. Dans une mesure sans interaction, un des deux trajets distincts peut être exploité dans un interféromètre, ou les deux. Si un objet est placé sur un trajet, les particules quantiques choisiront un autre trajet pour éviter une interaction. Afin d'appliquer cette idée, les chercheurs ont minutieusement fabriqué des coupleurs directionnels ayant des rapports de répartition adéquats pour s'en servir comme interféromètres. Le dispositif tire profit de la dualité onde-particule en reconnaissant quand un trajet est évité et en détectant la présence de l'objet sans l'observer. Une telle interférence multi-trajet peut être reconnue avec une visibilité supérieure à 98 %. Avant que le projet QUANPHOCHIP n'arrive à son terme, les chercheurs ont également réussi à combiner l'interférence quantique et la détection à un seul photon sur une puce en silicium. Ce type de puce, contenant des éléments de génération, manipulation et détection de photons individuels, a le potentiel d'accélérer exponentiellement certaines classes de calculs.
Mots‑clés
Optique quantique, ordinateur quantique, photons, QUANPHOCHIP, puce à l'état solide
