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20 Mai, 2024

Des chercheurs mettent au point le plus petit détecteur quantique de lumière au monde sur une puce de silicium

Des chercheurs mettent au point le plus petit détecteur quantique de lumière au monde sur une puce de silicium

La puce quantique ePIC en silicium, montée sur un circuit imprimé pour les essais et semblable à une carte mère à l’intérieur d’un ordinateur personnel. Crédit : Université de Bristol

Des chercheurs de l’université de Bristol ont réalisé une percée importante dans la mise à l’échelle de la technologie quantique en intégrant le plus petit détecteur quantique de lumière au monde sur une puce de silicium. L’article intitulé « A Bi-CMOS electronic photonic integrated circuit quantum light detector » a été publié dans Science Advances.

Le moment où les scientifiques et les ingénieurs ont réussi à miniaturiser les transistors sur des micropuces bon marché, dans les années 1960, a été déterminant pour l’avènement de l’ère de l’information.

Aujourd’hui, pour la première fois, des universitaires de l’université de Bristol ont démontré l’intégration d’un détecteur quantique de lumière – plus petit qu’un cheveu humain – sur une puce de silicium, ce qui nous rapproche de l’ère des technologies quantiques utilisant la lumière.

La réalisation de l’électronique et de la photonique de haute performance à grande échelle est fondamentale pour réaliser la prochaine génération de technologies de l’information avancées. Trouver le moyen de fabriquer des technologies quantiques dans des installations commerciales existantes est un effort international permanent auquel s’attellent des universités et des entreprises du monde entier.

Il pourrait s’avérer crucial pour l’informatique quantique de pouvoir fabriquer du matériel quantique de haute performance à grande échelle en raison de la grande quantité de composants nécessaires pour construire ne serait-ce qu’une seule machine.

Dans cette optique, des chercheurs de l’université de Bristol ont fait la démonstration d’un type de détecteur quantique de lumière mis en œuvre sur une puce dont le circuit occupe 80 micromètres sur 220 micromètres.

Cette petite taille permet au détecteur de lumière quantique d’être rapide, ce qui est essentiel pour débloquer les communications quantiques à grande vitesse et permettre le fonctionnement à grande vitesse des ordinateurs quantiques optiques.

L’utilisation de techniques de fabrication établies et commercialement accessibles favorise les perspectives d’intégration rapide dans d’autres technologies telles que la détection et les communications.

« Ces types de détecteurs, appelés détecteurs homodynes, sont omniprésents dans les applications de l’optique quantique », explique le professeur Jonathan Matthews, qui a dirigé la recherche et qui est directeur du Quantum Engineering Technology Labs.

« Ils fonctionnent à température ambiante et peuvent être utilisés pour les communications quantiques, dans des capteurs incroyablement sensibles, tels que les détecteurs d’ondes gravitationnelles de pointe, et il existe des modèles d’ordinateurs quantiques qui utiliseraient ces détecteurs. »

En 2021, l’équipe de Bristol a montré comment l’association d’une puce photonique et d’une puce électronique distincte pouvait accroître la vitesse des détecteurs quantiques de lumière. Aujourd’hui, avec une seule puce électronique-photonique intégrée, l’équipe a encore augmenté la vitesse d’un facteur 10 tout en réduisant l’encombrement d’un facteur 50.

Si ces détecteurs sont rapides et petits, ils sont également sensibles.

« La clé de la mesure de la lumière quantique est la sensibilité au bruit quantique », explique l’auteur, le Dr Giacomo Ferranti.

« La mécanique quantique est responsable d’un niveau de bruit infime et fondamental dans tous les systèmes optiques. Le comportement de ce bruit révèle des informations sur le type de lumière quantique qui voyage dans le système, il peut déterminer la sensibilité d’un capteur optique et il peut être utilisé pour reconstruire mathématiquement les états quantiques. Dans notre étude, il était important de montrer que le fait de rendre le détecteur plus petit et plus rapide ne bloquait pas sa sensibilité pour la mesure des états quantiques ».

Les auteurs notent qu’il reste encore des recherches passionnantes à mener pour intégrer d’autres technologies quantiques perturbatrices à l’échelle de la puce. Avec le nouveau détecteur, l’efficacité doit être améliorée et il reste du travail à faire pour tester le détecteur dans un grand nombre d’applications différentes.

Le professeur Matthews a ajouté : « Nous avons construit le détecteur avec une fonderie commerciale afin de rendre ses applications plus accessibles. Bien que nous soyons incroyablement enthousiasmés par les implications dans toute une gamme de technologies quantiques, il est essentiel que nous continuions, en tant que communauté, à relever le défi de la fabrication évolutive de la technologie quantique.

« Sans la démonstration d’une fabrication véritablement évolutive du matériel quantique, l’impact et les avantages de la technologie quantique seront retardés et limités.« 

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6890

https://www.bristol.ac.uk