Photonique sur silicium pour l’optique et la communication quantiques – SITQOM

SITQOM est naturellement orienté vers la réalisation et l'optimisation de circuits photoniques sur silicium à forte densité d'intégration, montrant à la fois complexité, flexibilité et capacités augmentées en matière de génération et de manipulation de l'information quantique codée sur des photons. L'objectif principal du projet réside dans l'intégration de sources d'intrication photonique et de fonctions de manipulation de l'information, allant de des simples coupleurs directionnels aux réseaux de guides couplés. Ces fonctionnalités avancées devraient permettre la préparation d'états quantiques difficiles à mettre en oeuvre autrement, tels que l'intrication à grande dimension, que ce soit en termes de nombre de photons et/ou de modes intriqués (peignes de fréquence). Par ailleurs, l'intégration dense de fonctions permettra de lever des verrous technologiques en matière de changement d'échelle et de stabilité des systèmes envisagés.

De manière collégiale, le C2N-SILICON et l’INPHYNI ont développé une source de paires de photons intriqués sur Si. Les performances de cette source ont permis de valider le concept fondamental du projet, à savoir l’exploitation du silicium en tant que plateforme technologique pour des applications quantiques. Nous avons pu montrer des qualités d’intrication inédites au sein de la communauté, nous positionnant comme un des acteurs majeurs. De plus, l’ingénierie de structures sub-longueur d’onde dont a fait preuve le C2N-SILICON a permis l’élaboration de filtres de Bragg intégrés stop-bande à haut pouvoir de réjection. Jusque-là, la forte différence d’indice entre le silicium et la silice imposait une gravure de celui-ci avec une haute précision (~10nm). Les géométries originales envisagées et basées sur une double périodicité (au lieu d’une de manière habituelle) permettent d’ajuster les performances des filtres (réjection et largeur de bande). Pour la 1ère fois dans le domaine, il devient possible d’envisager un filtrage total de la pompe et ce de manière complètement intégrée. Lors d’une étroite collaboration entre C2N-SILICON et C2N-NANOPHOTONIQ un couplage record a été démontré dans un réseau de guides en Si : plus de 100 guides séparés de 1.2 µm sur 700 µm, couplage : 37 mm-1).

Les applications envisagées comprennent la génération annoncée d'états nombre de photon, l'exploitation de réseaux de guides couplés pour la génération d'états intriqués de grande dimension (nombre de modes), ainsi que la mise en place de cryptosystèmes haut débit exploitant des peignes de fréquences multimodes intriqués. Compte tenu des difficultés rencontrées dans les systèmes usuels, ces applications ont encore peu été défrichées à l'international. Toutefois, l'accomplissement d'avancées notoire en matière de photonique quantique passera nécessairement par les apports majeurs des technologies d'intégration associés, parmi lesquelles la photonique sur silicium représente l'une des plus prometteuses. Ainsi, les développements technologiques envisagés dans le projet SITQOM devraient permettre des avancées scientifiques majeures en photonique et systèmes quantiques pour lesquels densité d'intégration et flexibilité seront les maîtres-mots.

[MAZ16] F Mazeas, M Traetta, M Bentivegna, F Kaiser, D Aktas, W Zhang, C.A Ramos, L.A. Ngah, T. Lunghi, É Picholle, N Belabas-Plougonven, X. Le Roux, É Cassan, D Marris-Morini, L Vivien, G Sauder, L. Labonté, S Tanzilli, « High-quality photonic entanglement for wavelength-multiplexed quantum communication based on a silicon chip », Optics Express 24(25) 28731-28738 (2016). [RAM17] D Pérez-Galacho, Diego, C.A Ramos, F Mazeas, X Le Roux, D Oser, W Zhang, D Marris-Morini, L Labonté, S Tanzilli, E Cassan, L Vivien, « Optical pump-rejection filter based on silicon sub-wavelength engineered photonic structures », Optics Letters 42(8) 1468-1471 (2017).

L’information quantique a établi un nouveau paradigme dans la communication et le traitement de l’information, grâce à des protocoles qui permettent une sécurité accrue dans l’échange des données et un traitement massivement parallèle des informations. Au delà des nombreuses démonstrations de principe, une nouvelle génération d’applications est désormais envisagée, via les simulateurs quantiques, les systèmes réalistes de cryptographie et les capteurs à sensibilité accrue. Dans cette perspective, où fiabilité et réduction d’échelle des dispositifs priment, les circuits optiques intégrés denses, multi-fonctionnels et reconfigurables, sont appelés à jouer un rôle majeur. SITQOM vise ainsi le déploiement progressif d’une nouvelle plateforme optique intégrée basée sur le silicium, dont les capacités permettront d’aller au-delà de l’état de l’art. Notre ambition réside dans l’intégration dense de fonctions optiques linéaires et non linéaires permettant, sur un même substrat, la génération, le routage, la manipulation et la détection d’états quantiques photoniques. Les multiples applications et systèmes qui en découlent naturellement n’ont jusqu’à présent pas été démontrés, e.g., i) la réalisation de démonstrateurs d’intrication annoncée, ii) la simulation d’opérateurs quantiques complexes à base de réseaux de guides couplés, et iii) le développement de protocoles de cryptographie quantique haut débit s’appuyant sur un codage en peigne de fréquences.
La filière photonique silicium est l’une des plus prometteuses pour exploiter l’intégration dense de fonctions. Notamment, des cavités en anneau permettent la production de photons intriqués grâce à l’exaltation des effets non linéaires d’ordre 3. A court terme, nous utiliserons ces cavités, associées à des réflecteurs de Bragg, pour constituer de sources autonomes de paires de photons incluant les éléments de filtrage (séparateurs de longueurs d’onde, réjection du faisceau pompe) sur puce. A moyen terme, nous développerons des commutateurs électro-optiques et des détecteurs de photons uniques intégrés, en vue de la génération d’états à deux photons annoncés basée sur le routage actif. Par ailleurs, grâce à son incomparable reproductibilité de fabrication, la photonique silicium permet l’intégration de réseaux de guides couplés. La modulation des constantes de couplage inter-guides, inscrite ou reconfigurable, permet le routage des photons à la façon d’un “bus quantique” opérant sur une puce compacte, flexible et multi-ports. Les réseaux photoniques ainsi constitués sont des supports de choix pour implémenter des processus quantiques complexes, tels que des portes logiques ou la simulation des propriétés de certains systèmes de matière condensée. Enfin, en réunissant, sur une même puce, une source de paires de photons et une étape de filtrage spectral adapté, nous visons le développement de nouveaux systèmes de cryptographie quantique à grande échelle. Une cavité en anneau intégrée pompée par un laser impulsionnel haute cadence permettra de générer des paires de photons intriqués sur des peignes de fréquences et de les distribuer dans des canaux standards des télécommunications. Ceci permettra d’établir des clés de cryptage à des débits record.
Le programme SITQOM représente une opportunité unique de rassembler les meilleurs experts français du traitement intégré de l’information (LPMC, IEF, LPN), de l’optique et de l’information quantiques, afin d’entrer dans la compétition mondiale autour de la photonique quantique sur silicium à un stade encore précoce. Ce consortium, compétitif et complémentaire, se consacrera à la fois au développement de nouveaux dispositifs de photonique silicium et à leur exploitation dans des applications avancées de l’information quantique. Les niveaux de compacité et d’intégration visés, que seule notre plateforme rend possibles, promettent des avancées significatives dans le domaine des technologies quantiques et de nouvelles perspectives en optique quantique.