Source non-classique sur puce pour la détéction – Colours

Pour produire une lumière quantique très efficace et brillante – c’est-à-dire des paires de photons dont les propriétés sont intimement liées (intriquées) – on peut utiliser un phénomène appelé le « mélange à quatre ondes spontané » (SFWM en anglais). Cette méthode permet à la lumière d’interagir de façon très contrôlée avec un matériau, ce qui permet la création de ces paires spéciales de photons.

Pour que cette interaction soit efficace, il est nécessaire d’utiliser des résonateurs optiques. Plus petit est l’espace dans lequel la lumière est confinée, et plus longtemps celle-ci y demeure, plus efficace sera la génération des photons intriqués. Dans COLOURS, nous exploitons des résonateurs optiques fabriquées avec des matériaux semi-conducteurs du groupe III-V, plus précisément on utilise une fine couche suspendue d’InGaP qui est travaillée avec une extrême précision, à l’échelle du nanomètre, grâce à des appareils de pointe comme la lithographie électronique (qui permet de « dessiner » des motifs minuscules) et la gravure plasma (qui sculpte la matière à très petite échelle).

Cette cavité est dessinée afin d’obtenir trois modes de lumière parfaitement espacés dans le spectre optique. Ce réglage doit être extrêmement précis, au-delà de ce que les équipements de production standards permettent habituellement, car la moindre erreur réduirait l’efficacité de la création de photons intriqués. Pour atteindre ce niveau de précision, une méthode innovante dite d’« auto-alignement » a été mise au point : elle utilise l’effet de la chaleur sur les propriétés du matériau pour ajuster la séparation des modes de lumière sur la cavité, avec une résolution bien meilleure qu’avec les techniques classiques.

Les paires de photons sont produites dès que la cavité fonctionne à une intensité lumineuse (ou « seuil d’oscillation ») beaucoup plus basse que ce qui est normalement nécessaire pour que la lumière s’auto-renforce. Cela permet de travailler de façon stable et efficace.

Pour accéder à la lumière créée dans la cavité, on passe par un unique port, qui laisse entrer et sortir la lumière des deux côtés. Mais, pour utiliser utilement les paires de photons générées, il faut les séparer de la lumière issue du laser d’alimentation. On utilise donc des filtres et des dispositifs appelés « coupleurs » pour ne garder que les photons intriqués.

Enfin, au lieu de multiplier les petits composants optiques comme dans les premiers prototypes (filtres, coupleurs, etc.), la deuxième phase du projet consiste à regrouper toutes ces fonctions sur une seule puce photonique intégrée. Cette miniaturisation permet de réduire les pertes, d’avoir un dispositif plus compact, plus robuste, et plus facilement utilisable dans des systèmes réels – y compris ceux embarqués dans les satellites ou autres équipements évolués.

a) Génération de paires de photons synchronisés dans un circuit photonique en silicium

Nous avons réussi à produire efficacement des paires de photons (particules de lumière) qui sont émises en même temps, grâce à une méthode avancée utilisant des microstructures appelées « cavités à cristaux photoniques » fabriquées en alliage InGaP. Un système de réglage précis compense les petits décalages de fréquence dans ces cavités, ce qui nous a permis d’atteindre un taux de 5 millions de paires générées chaque seconde. Cette performance dépasse largement celle d’autres dispositifs similaires. Autre atout : cette source a pu être directement intégrée à une puce photonique en silicium, ouvrant la voie à des applications pratiques dans les technologies quantiques miniaturisées.

b) Étude des oscillateurs optiques à cristaux photoniques

Nous avons exploré le fonctionnement d’oscillateurs spéciaux qui exploitent le mélange à quatre ondes, un phénomène quantique produisant de nouveaux photons à partir de la lumière injectée. Grâce à une conception astucieuse, seuls les modes lumineux désirés interagissent dans la cavité, et les effets secondaires indésirables sont supprimés. Nous avons testé plus de cent cavités et dix oscillateurs : ils se sont révélés très stables, avec des performances fiables malgré les variations des procédés de fabrication. L'énergie nécessaire pour faire fonctionner ces dispositifs a pu être réduite à un niveau très bas (seulement 40 microWatt).

c) Production efficace de photons uniques et de paires intriquées

Nos recherches ont permis de produire, sur puce, soit des photons uniques (utiles pour de nombreuses expériences et applications quantiques), soit des paires de photons dont les propriétés sont « intriquées » : l’état de l’un dépend de l’autre, même à distance. Cette génération s’appuie sur des cavités à cristaux photoniques extrêmement petites (20 micromètres), optimisées pour concentrer la lumière et bien régler leur résonance via la chaleur. Avec une faible énergie (36 microWatt), nous avons atteint un taux élevé de production (22 millions de paires par seconde). L’intrication des paires a été validée par une mesure de très haute fidélité (96,6 %). Ces résultats montrent que ces cavités sont des sources très performantes pour la photonique quantique intégrée.

d) Conception et réalisation d’une puce photonique intégrée

Nous avons conçu et fait fabriquer une puce spéciale en nitrure de silicium, capable de séparer avec précision les différents types de photons générés tout en éliminant efficacement les résidus du laser de pompage. Cette puce a été assemblée avec des fibres optiques et des petits contrôleurs électroniques, permettant à un ordinateur d’ajuster finement son fonctionnement. Les premiers essais pour vérifier la performance de l’ensemble sont en cours.

1. Sources de photons déterministes

Grâce à l’approche « nano » développée dans le projet COLOURS, il devient possible d’intégrer un grand nombre de très petites sources de photons sur une seule puce photonique. Chaque source pourrait être contrôlée de façon indépendante, ce qui signifie que l’on pourrait régler combien de photons elle produit ou la couleur (la longueur d’onde) des photons émis. En combinant plusieurs de ces sources et en choisissant à chaque instant celle qui va émettre, on peut s’approcher du fonctionnement d’une source de photons « déterministe » : une source capable d’envoyer un photon sur demande, ce qui est très recherché pour certaines applications quantiques.

2. Sources pour les communications quantiques dans l’espace

La technologie développée dans COLOURS permet d’intégrer beaucoup de fonctions sur des puces très compactes avec une consommation électrique très faible. Elle fonctionne même à des températures variées, y compris à température ambiante, et devrait être très fiable car le dispositif est simple. Cela rend cette solution idéale pour les communications quantiques depuis l’espace, par exemple pour des satellites qui pourraient générer et transmettre des paires de photons pour sécuriser les échanges d’informations à longue distance (comme pour la « téléportation quantique » de données).

3. Manipulation des états quantiques

Le projet COLOURS utilise des oscillateurs paramétriques optiques très petits, qui sont essentiels pour manipuler les états des photons de façon contrôlée. Grâce à cette technologie, on peut envisager dans le futur de créer des circuits où plusieurs de ces petits oscillateurs interagissent ensemble sur une seule puce, ouvrant la voie à des manipulations quantiques encore plus avancées.

4. Interaction avec des mémoires quantiques**

Nos sources produisent des photons dans une gamme de couleurs très précise, ce qui est parfait pour dialoguer avec des mémoires quantiques basées sur des atomes ou des ions. En effet, ces mémoires ne fonctionnent efficacement que dans une petite plage de couleur. En plus, la technologie des cristaux photoniques permet de bien contrôler comment la lumière se comporte localement : il serait donc possible d’utiliser cette approche pour améliorer encore les performances des mémoires quantiques.

Les résultats de COLOURS ouvrent de nombreuses perspectives, que ce soit pour produire des photons sur demande, développer des réseaux sécurisés de communication spatiale quantique, manipuler de nouveaux états de lumière, ou encore optimiser les liens entre lumière et mémoires quantiques. Ces avancées placent cette technologie au cœur du développement des futures applications quantiques.

Il y a quelques mois, l'avantage de l'informatique quantique, grâce à l'échantillonnage de boson Gaussien a été montré au travers d’une expérience sur un banc optique de 3 m² et, il y a quelques semaines seulement, par son équivalent en photonique intégré. L’élément crucial, démontrée récemment, est une source de lumière non classique (comprimée) intégrée et évolutive. En nous appuyant sur notre premier Oscillateur Paramétrique Optique à l'échelle nanométrique, qui vient d'être démontré, et sur nos nanodispositifs hybrides III-V sur plateforme photonique en silicium, nous construirons une source évolutive de lumière comprimée, qui réduira le budget énergétique et l'encombrement de deux ordres de grandeur. Pour ce faire, la qualité de notre OPO en tant que source sera évaluée, tandis que son homologue intégré sera conçu et optimisé. Comme preuve d'évolutivité, nous démontrerons le fonctionnement simultané d'au moins deux OPO intégrés sur un même circuit photonique en silicium, ouvrant ainsi la voie à la miniaturisation de la photonique quantique. obtenir une sensibilité ultime.