Pour la première fois, des sources de lumière quantique et des composants électroniques de contrôle sont étroitement intégrés sur une puce de silicium
Pour la première fois, des scientifiques de l’université Northwestern, de l’université de Boston (BU) et de l’université de Californie à Berkeley (UC Berkeley) ont intégré un minuscule système quantique photonique dans une puce électronique traditionnelle.
Cette puce en silicium, unique en son genre, combine à la fois des composants quantiques générateurs de lumière (photonique) et des circuits de contrôle électroniques classiques, le tout dans un espace de seulement un millimètre sur un millimètre. Ainsi, non seulement la puce génère de la lumière quantique, mais elle dispose également de son propre système électronique intelligent intégré qui permet de maintenir cette lumière parfaitement stable.
Cette intégration photonique-électronique permet à la puce unique de produire de manière fiable un flux de paires de photons (les unités de base qui codent les informations quantiques) nécessaires à la communication, la détection et le traitement quantiques basés sur la lumière.
Une fonderie commerciale de semi-conducteurs a fabriqué la puce, démontrant ainsi sa capacité à être produite à grande échelle.
« Les expériences quantiques en laboratoire nécessitent généralement des équipements volumineux et encombrants, qui exigent des conditions de propreté irréprochables », a déclaré Anirudh Ramesh, de Northwestern, qui a dirigé les mesures quantiques. « Nous avons pris bon nombre de ces composants électroniques et les avons réduits sur une seule puce. Nous disposons donc désormais d’une puce avec un contrôle électronique intégré, qui stabilise un processus quantique en temps réel. Il s’agit d’une étape clé vers des systèmes photoniques quantiques évolutifs. »
« Pour la première fois, nous avons réussi à réaliser une intégration monolithique de l’électronique, de la photonique et de la quantique », a ajouté Prem Kumar, de l’université Northwestern, l’un des auteurs principaux de l’étude. « C’est une avancée majeure, car il n’est pas facile de combiner l’électronique et la photonique. Il a fallu un effort héroïque pour réunir l’expertise d’une équipe interdisciplinaire et collaborative composée de physiciens, d’ingénieurs électriciens, d’informaticiens, de scientifiques spécialisés dans les matériaux et d’experts en fabrication. Notre puce pourrait ouvrir la voie non seulement à des applications informatiques, mais aussi à des applications de détection et de communication. »
Expert en optique quantique, M. Kumar est professeur d’ingénierie électrique et informatique à la McCormick School of Engineering de Northwestern, où il dirige le Center for Photonic Communication and Computing. Au moment de la recherche, M. Ramesh était doctorant dans le laboratoire de M. Kumar ; il est aujourd’hui ingénieur en validation de systèmes quantiques chez PsiQuantum, une entreprise américaine spécialisée dans l’informatique quantique.
Ramesh a codirigé l’étude avec Danielius Kramnik de l’université de Berkeley et Imbert Wang de l’université de Boston. Kramnik, qui a dirigé la conception des circuits et l’intégration électronique, est récemment titulaire d’un doctorat du laboratoire de Vladimir Stojanovíc, professeur adjoint d’ingénierie électrique et d’informatique à l’université de Berkeley. Wang, qui a dirigé la conception des dispositifs photoniques, est récemment diplômé d’un doctorat du laboratoire de Miloš Popović, professeur associé en génie électrique et informatique à l’université de Boston.
La puce produit sa propre lumière quantique et se stabilise
Grâce à leur capacité à être fabriquées à l’aide des mêmes processus à haut volume qui permettent de créer des milliards de transistors pour l’électronique courante, les puces en silicium constituent une plateforme idéale pour les systèmes quantiques basés sur la lumière. Mais le fonctionnement stable de ces minuscules dispositifs optiques quantiques nécessite des capacités qui ne sont actuellement pas standard dans une fonderie commerciale. De légères variations de température, des imperfections de fabrication imperceptibles et même la chaleur générée par leurs propres composants peuvent complètement ruiner un système quantique entier. Pour contrôler ces minuscules variations, les chercheurs ont recours à de grands équipements externes pour stabiliser les dispositifs optiques quantiques, ce qui rend apparemment impossible la miniaturisation de systèmes complets.
La génération de lumière quantique dans le silicium, que l’équipe a utilisée dans ses dispositifs fabriqués en fonderie, a été démontrée pour la première fois dans une expérience menée il y a plusieurs décennies par le laboratoire de Kumar à Northwestern. Dans une étude publiée en 2006 dans la revue Optics Express, Kumar et ses collaborateurs ont démontré pour la première fois que le fait de projeter un faisceau de lumière concentré dans de minuscules canaux gravés dans le silicium et conçus de manière appropriée génère naturellement des paires de photons. Ces paires de photons sont intrinsèquement liées, elles peuvent donc servir de qubits.
Dans la nouvelle étude, l’équipe a intégré ces minuscules canaux en forme d’anneau, chacun beaucoup plus petit que l’épaisseur d’un cheveu humain, dans la puce en silicium. Lorsqu’un laser puissant brille dans ces canaux circulaires, appelés résonateurs microring, il génère des paires de photons. Pour contrôler la lumière, l’équipe a ajouté des capteurs de photocourant, qui agissent comme de minuscules moniteurs. Si la source lumineuse dérive en raison de fluctuations de température ou d’autres perturbations, les capteurs envoient un signal à un minuscule dispositif de chauffage, qui ramène la source de photons à son état optimal.
Comme la puce utilise une rétroaction intégrée pour se stabiliser, elle se comporte de manière prévisible malgré les changements de température et les variations de fabrication, une exigence essentielle pour la mise à l’échelle des systèmes quantiques. Elle évite également le recours à de gros équipements externes.
« Notre objectif était de montrer que des systèmes photoniques quantiques complexes peuvent être construits et stabilisés entièrement au sein d’une puce CMOS (semi-conducteur complémentaire à oxyde métallique) », a précisé M. Kramnik. « Cela a nécessité une coordination étroite entre des domaines qui ne communiquent généralement pas entre eux. »
Un avenir fabriqué en usine
Afin de garantir que leur puce quantique complexe puisse être fabriquée à l’aide d’un processus CMOS standard, les scientifiques ont adopté une stratégie de conception astucieuse. Ils ont intégré les composants photoniques directement dans les structures existantes déjà utilisées par les usines CMOS commerciales pour fabriquer des puces informatiques.
« Nous avons poussé la photonique à fonctionner dans les limites strictes d’une plateforme CMOS commerciale, a précisé M. Wang. C’est ce qui a permis de co-concevoir l’électronique et l’optique quantique comme un système unifié. »
À mesure que les systèmes photoniques quantiques gagnent en ampleur et en complexité, ces puces quantiques intégrées pourraient devenir les éléments constitutifs de technologies allant des réseaux de communication sécurisés à la détection avancée et, à terme, à l’infrastructure informatique quantique.
« L’informatique, la communication et la détection quantiques sont sur un chemin qui s’étend sur plusieurs décennies, du concept à la réalité », a conclu M. Popović, auteur principal de l’étude. « Il s’agit d’un petit pas sur ce chemin, mais un pas important, car il montre que nous pouvons construire des systèmes quantiques reproductibles et contrôlables dans des fonderies de semi-conducteurs commerciales. »
Article : « Scalable feedback stabilization of quantum light sources on a CMOS chip » – DOI : 10.1038/s41928-025-01410-5
