Dispositifs semiconducteurs pour la phonique quantique à température ambiante – SemiQuantRoom

L’information, la communication et la détection sont au coeur des dynamiques sociales et économiques; dans ce contexte, la physique quantique a montré récemment des nouvelles perspectives pour traiter et transmettre l’information de façon plus efficace et plus sécurisée par rapport aux méthodes classiques (échange de données sensibles, augmentation des capacités de calcul, précision accrue dans certains types de mesure).
En parallèle aux recherches fondamentales ayant l’objectif de tester les fondements et les limites de l’information quantique, on assiste aujourd’hui à la maturation de technologies quantiques parmi lesquelles la photonique joue un rôle central. Un défi technologique majeur pour les applications à large échelle est la miniaturisation de différents composants sur un même chip fonctionnant à température ambiante. Dans ce contexte les matériaux semiconducteurs sont idéaux pour fabriquer des dispositifs extrêmement compacts et massivement parallèles.
Ce projet est focalisé sur la démonstration de circuits quantiques intégrés injectés électriquement incluant la génération et la manipulation de paires intriquées de photons fonctionnant à température ambiante et aux longueurs d’onde des télécommunications.
Notre point de départ est constitué de deux sources en matériaux III-V d’états nonclassiques de la lumière démontrées récemment par le consortium : une source de paires de photons injectée électriquement (F. Boitier et al. à paraître dans Phys. Rev. Lett. Issue of May 9 2014) et une microcavité émettant de paires de photons intriqués contrapropageants (A. Orieux et al. Phys. Rev. Lett. 110, 160502 (2013). SemiQuantRoom a trois objectifs principaux: l’optimisation de ces sources, la caractérisation des propriétés quantiques originales des états à deux photons générés et l’intégration monolithique ou hybride (III-V/Si) de ces dispositifs avec des circuits photoniques quantiques.
Ce choix combine les avantages de deux plateformes. D’un coté, les semiconducteurs III-V ont des excellentes propriétés optiques et, grâce à leur gap direct présentent un intérêt évident pour les dispositifs injectés électriquement. De l’autre coté, le développement récent de la photonique sur silicium a montré le potentiel des circuits SOS et SOI comme plateformes pour réaliser des composants optiques compatibles avec la technologie CMOS.
Le projet tirera profit de la complémentarité et le savoir-faire reconnus des trois partenaires.
Le Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques contribuera avec son expertise sur la conception, fabrication et caractérisation de dispositifs photoniques quantiques III-V et sur la théorie de l’optique quantique (notamment la caractérisation et la manipulation de l’intrication).
Le Laboratoire de Photonique et Nanostructures fait partie du réseau national de centrales technologiques. Il contribuera avec son expertise sur la croissance de microcavité GaAs/AlGaAs par épitaxie par jets moléculaires, sur le dépôt de multicouches diélectriques et sur le collage de laser III-V sur circuits en silicium.
Le groupe ‘ultrafast quantum optics and optical metrology’ de l’Université de Oxford a une vaste expertise sur la génération et la manipulation de lumière quantique pulsée et ses applications à l’information quantique. Le groupe est un des leaders mondiaux du développement de technologies photoniques intégrées et contribuera avec son expertise sur la conception et l’implémentation de protocoles quantiques.
Les résultats attendus de ce projet ont le potentiel pour devenir une nouvelle génération de dispositifs pour l’information, la communication et la métrologie quantiques et ouvrent la voie vers des laboratoires d’optique quantique sur puce, intégrant les lasers, les éléments linéaires et nonlinéaires et les détecteurs.