Une plateforme à l'état solide pour les technologies quantiques
Utilisés comme supports de l'information, les photons sont des candidats intéressants à la fois pour le traitement classique ou quantique des informations. Le routage et la génération efficaces des photons exigent cependant de développer des dispositifs optiques fonctionnant avec peu de photons, jusqu'au niveau des émetteurs monophotoniques. La source monophotonique idéale produirait des impulsions de lumière qui ne contiendraient qu'un seul photon. Par ailleurs, tous les photons seraient identiques à tous leurs niveaux de liberté, comme la longueur d'onde et la polarisation. Pour développer des sources monophotoniques proches de l'optimum, les chercheurs ont dû surmonter de nombreuses difficultés à la fois scientifiques et technologiques. Dans le cadre du projet QD-CQED (A quantum dot in a cavity: A solid state platform for quantum operations), financé par le Conseil européen de la recherche (CER), ils ont conçu les premiers dispositifs optoélectroniques constitués de boîtes quantiques installées avec précision dans des microcavités commandées électriquement. Les nombreuses années de recherche ont conduit à des sources efficaces produisant des photons uniques quasiment indiscernables. Le défi de la perfection «Les protocoles quantiques avancés exigent des systèmes quantiques isolés de leur environnement, afin de minimiser les phénomènes de décohérence», fait remarquer le docteur Pascale Senellart du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), chercheur principal du projet QD-CQED. Manifestement, tel n'était pas le cas pour un émetteur de photon à l'état solide, inséré dans un environnement soumis à des vibrations et fluctuations. Par ailleurs, pour obtenir un photon unique à un émetteur, les chercheurs ont dû coupler un point quantique avec une microcavité et fabriquer le champ électromagnétique autour de l'émetteur, pour ensuite le forcer à émettre dans un mode bien défini du champ optique. «Au cours du projet, nous avons progressivement compris que nous pourrions réduire à la fois les charges fluctuantes et les phonons, les effets des vibrations sur l'excitation électronique de la structure solide. À cette fin, nous avons confiné le champ optique aussi bien dans l'espace que dans le temps, tout en appliquant le champ électrique sur l'émetteur», précise-t-elle. À la différence des techniques existantes qui nécessitent de recouvrir la cavité avec un polymère, l'équipe de QD-CQED a connecté des cavités en forme de pilier de quelques microns de diamètre à des structures plus grandes, en utilisant des fils 1D. Cette configuration innovante (illustrée par l'image) a été essentielle pour supprimer les effets de l'environnement à l'état solide de l'émetteur. «Nous pourrions montrer que lorsqu'ils sont insérés dans une matrice à l'état solide, nos atomes artificiels présentent des propriétés optiques similaires à celle d'un atome naturel dans le vide. Il est important de signaler que notre implémentation à l'état solide offre des avantages en termes d'intégration et d'évolutivité», explique le Dr Senellart. Bien au-delà des attentes La nouvelle technologie source fournit des photons uniques de haute qualité dont la luminosité dépasse d'un ordre de grandeur celle des sources existantes. Chose importante, elle a contribué à améliorer les performances de tâches de calcul quantiques intermédiaires, telles que l'échantillonnage de boson qui s'effectue beaucoup plus vite qu'avec une source basée sur les technologies habituelles. Le potentiel de la technologie QD-CQED est exposé dans l' article de Nature Photonics en ligne sur, qui a figuré en 2016 parmi les 0,1 % des articles les plus cités en physique universitaire. Un nombre croissant de collaborations avec des chercheurs en optique quantique sont mises en place pour utiliser les sources. À ce jour, les sources ont été utilisées pour implémenter un protocole de calcul optique intermédiaire et faire la démonstration de portes à deux photons. L'équipe a également montré qu'il est possible de contrôler de façon efficace un bit quantique stationnaire avec des impulsions de lumière ne comportant que quelques photons. Le Dr Senellart-Mardon conclut ainsi: «Une entreprise dérivée sera créée en 2017 afin de permettre à une plus large communauté de bénéficier de ce progrès. Deux jeunes chercheurs sont derrière cette initiative; tous deux ont été soutenus dans leurs entreprises de recherche par QD-CQED. L'avenir des technologies quantiques optiques semble radieux!»
Mots‑clés
Technologies quantiques, microcavités optiques, boîtes quantiques, source de photons uniques, QD-CQED
