Créer des paires de photons intriqués sans bruit à partir d'un circuit silicium

Publié par Isabelle le 23/06/2020 à 13:00
Source: CNRS INP
Associer les développements des télécommunications quantiques aux infrastructures de télécommunications actuelles est d'un intérêt majeur pour leur déploiement. En réunissant des compétences en photonique intégrée et en photonique quantique, des physiciennes et des physiciens ont démontré qu'une nouvelle architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) de puce en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) fournit des paires de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) dont l'intrication est de grande qualité, la rendant très prometteuse pour les réseaux quantiques de demain.

Les techniques de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la...) quantique sont basées sur des propriétés quantiques telles que l'intrication de deux particules. Des technologies avancées utilisent déjà l'intrication de deux photons, mais il reste encore à déployer des systèmes fonctionnels, évolutifs et fiables à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle...). La photonique sur silicium aux fréquences des télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le terme synonyme officiel «communication électronique». Elles se...) est particulièrement adaptée pour répondre à ces attentes car elle permet l'intégration de multiples fonctionnalités dans le cadre d'une fabrication déjà développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme...) à l'échelle industrielle. Créer une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) de photons intriqués se fait à partir d'effets non-linéaires induits par un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) dit laser de pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.). Ces effets sont par nature peu efficaces (typiquement une paire de photons pour cent millions de photons de pompe) et tous les photons de pompe inutilisés doivent être filtrés pour ne pas bruiter le système. De tels filtres existent mais ceux qui sont compatibles avec une intégration sur silicium ne sont pas assez performants. Une qualité supplémentaire pour un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) intégré est d'être passif, c'est-à-dire de fonctionner sans besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les...) de système de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel.


(a) Image par microscopie électronique du filtre montrant la corrugation de Bragg (pas: 290 nm et épaisseur: 225 nm). Crédit: C2N (CNRS/Univ Paris-Saclay)
(b) Qualification de l'intrication pour 11 paires de photons signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les...) / idler: visibilité (En météorologie, la visibilité est la distance à laquelle il est possible de distinguer clairement un objet, quelle que soit l'heure. On peut mesurer la...) des franges d'interférences, sans (bleu foncé) et avec (bleu clair) correction et taux de production (orange).

Des chercheurs et des chercheuses du Centre de nanosciences et de nanotechnologies (C2N, CNRS/Université Paris-Saclay) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) de Nice (INPHYNI, CNRS/Université Côte d'Azur) ont mis en commun leur expertise en photonique intégrée et en photonique quantique pour concevoir et réaliser une nouvelle architecture de puce photonique en silicium, conforme aux standards des télécommunications, et générant par effet non-linéaire des paires de photons intriqués. Grâce à un nouveau concept de filtre passif intégré rejetant efficacement les photons pompe, le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) résiduel est très faible et l'intrication obtenue a été qualifiée au niveau des plus hauts standards existant hors des contraintes d'intégration. Ces travaux sont publiés dans la revue npj Quantum Information.

Le dispositif expérimental consiste en un laser continu qui pompe une puce photonique en silicium dans laquelle une microcavité génère des paires de photons intriqués. Les photons se propagent dans un guide d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) équipé d'un filtre de Bragg multimode qui permet, par un effet d'interférences, de réfléchir la pompe dans un mode d'ordre supérieur du guide d'onde. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de la structure guidante est sculptée par lithographie UV. Plus spécifiquement, le filtre possède un motif périodique, dite corrugation de Bragg, dont le pas est 290 nm et dont l'épaisseur de corrugation est 225 nm (figure). Il est organisé en plusieurs sections en cascade (9 sections de 300 mm de long) séparées par des chicanes ne guidant plus le mode d'ordre supérieur et contribuant ainsi à une fuite des photons de pompe vers l'arrière. La corrugation de Bragg induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en...) une variation périodique de la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un rectangle,...) du guide d'onde et l'épaisseur déterminée tolère les erreurs de fabrication. Sans nécessiter de contrôle actif, ce filtre possède un taux de rejet record évalué à plus de 85 dB (entre 8 et 9 ordres de grandeurs), de façon très sélective (bande passante de 5 nm autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa...) d'onde de pompe) et avec des pertes équivalentes à celles d'un guide d'onde standard.

Les paires de photons intriqués sont constituées de deux photons nommés signal et idler qui sont produits dans la cavité à partir de deux photons du laser de pompe pour des longueurs d'onde compatibles avec la grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de...) standard des fréquences des télécommunications. Les chercheurs ont qualifié l'intrication en mesurant la visibilité des interférences à deux photons analysés dans 11 paires de longueurs d'onde intriquées deux à deux dans la gamme 1515 - 1555 nm. De façon remarquable, ils ont obtenu une visibilité brute, c'est-à-dire sans aucune correction a posteriori, de plus de 90 % (figure) qui atteste de la validité de l'approche pour le filtre de la pompe.

La démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en...) d'une intrication quasi-parfaite pour ce dispositif puisant dans les technologies du silicium et des télécommunications ouvre à ce type de circuit photonique le potentiel de se déployer à grande échelle et jouer un rôle majeur pour devenir le coeur des réseaux quantiques de demain.

Référence:
High quality photonic entanglement out of a stand-alone silicon chip.
D. Oser, S. Tanzilli, F. Mazeas, C. Alonso-Ramos, X. Le Roux, G.Sauder, X. Hua, O. Alibart, L. Vivien, É. Cassan et L. Labonté, npj Quantum Information, le 26 mars 2020.
DOI: 10.1038/s41534-020-0263-7
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes arXiv et HAL.
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