Un séparateur de phonons basé sur une puce rapproche les réseaux quantiques hybrides de la réalité

Le dispositif pourrait permettre de relier différents systèmes quantiques, ce qui favoriserait les progrès dans les domaines de l’informatique et des communications sécurisées

Des chercheurs ont créé un dispositif à puce capable de diviser les phonons, de minuscules paquets de vibrations mécaniques pouvant transporter des informations dans les systèmes quantiques. En comblant une lacune importante, ce dispositif pourrait aider à connecter divers appareils quantiques via les phonons, ouvrant ainsi la voie à l’informatique avancée et à la communication quantique sécurisée.

« Les phonons peuvent servir de messages quantiques sur puce qui relient des systèmes quantiques très différents, permettant ainsi la création de réseaux hybrides et de nouvelles façons de traiter les informations quantiques dans un format compact et évolutif », a déclaré Simon Gröblacher, chef de l’équipe de recherche de l’université technologique de Delft, aux Pays-Bas. « Pour construire des circuits phononiques pratiques, il faut un ensemble complet de composants sur puce capables de générer, guider, diviser et détecter des quanta individuels de vibrations. Si les sources et les guides d’ondes existent déjà, il manquait encore un séparateur compact. »

Dans la revue Optica Quantum du groupe Optica Publishing, les chercheurs décrivent leur coupleur directionnel compact et intégré à quatre ports pour phonons individuels et montrent qu’il peut réaliser une division contrôlable et offrir des performances au niveau quantique.

« Notre dispositif pourrait permettre la création de routeurs et de séparateurs microscopiques sur puce qui relient les qubits supraconducteurs, souvent utilisés pour les calculs quantiques rapides, aux systèmes basés sur le spin, qui sont efficaces pour stocker des informations quantiques pendant de longues périodes. Il pourrait également permettre la réalisation de diverses expériences quantiques ou la création de capteurs mécaniques ultra-sensibles extrêmement compacts », a ajouté M. Gröblacher.

Connecter les systèmes quantiques

Bien que la technologie quantique soit très prometteuse pour permettre des calculs plus rapides, des communications plus sécurisées et de nouveaux types de détection, les différents systèmes quantiques n’interagissent souvent pas bien entre eux. Pour remédier à cela, les ingénieurs ont développé des plateformes basées sur un type de phonon appelé onde acoustique de surface. Cependant, la distance de propagation limitée due à des pertes élevées et à la structure 2D intrinsèquement ouverte des solutions existantes rend ces dispositifs relativement volumineux, ce qui constitue un obstacle à leur utilisation pratique.

Dans le cadre de ces nouveaux travaux, les chercheurs ont conçu un coupleur directionnel à puce qui utilise des phonons hautement confinés et à haute fréquence (GHz) se déplaçant dans des guides d’ondes à cristaux phononiques. Ces phonons permettent de créer des dispositifs sur puce plus petits et plus évolutifs grâce à leur capacité à réduire la diaphonie entre les canaux de communication. Ils permettent également d’allonger la durée de vie des phonons, ce qui permet des interférences et un routage complexes avant que les propriétés quantiques ne se dégradent.

Chaque dispositif est intégré dans du silicium et dispose de quatre ports (deux entrées et deux sorties), comme un coupleur directionnel optique standard. À des températures cryogéniques, il peut être utilisé avec des états quantiques à phonon unique, qui permettent aux vibrations d’agir comme des unités discrètes et fiables d’information quantique.

« Le coupleur que nous avons fabriqué agit comme une jonction dans une « route postale » quantique », remarque M. Gröblacher. « Il peut diviser, acheminer ou recombiner des vibrations quantiques uniques afin qu’une excitation créée dans un processeur puisse être envoyée de manière fiable à un autre processeur sur la même puce ou à plusieurs destinataires, ce qui permet d’obtenir des dispositifs et des réseaux quantiques plus flexibles et plus compacts. »

Pour construire le coupleur directionnel intégré, les chercheurs ont modelé des structures nanométriques sur une puce en silicium afin de guider les vibrations le long de minuscules canaux et de les rassembler dans une région où elles pouvaient se mélanger de manière contrôlée. Pour y parvenir, il a fallu une fabrication très précise afin que les vibrations puissent parcourir de longues distances sans s’atténuer.

Démonstration de la division des phonons

Lors d’un premier test du dispositif, les chercheurs ont mesuré comment l’énergie d’un paquet d’ondes phononiques cohérentes était répartie entre les deux cavités de sortie au fil du temps et sur plusieurs allers-retours. En faisant varier la longueur du couplage, ils ont pu obtenir des rapports de division contrôlables. Après ce test classique, ils ont utilisé un système d’annonce des phonons pour vérifier la présence d’un phonon et démontrer que le coupleur se comportait comme un séparateur de faisceau pour les phonons individuels, c’est-à-dire les états quantifiés du mouvement mécanique.

Les chercheurs s’efforcent désormais d’ajouter des composants phononiques plus avancés au coupleur, d’améliorer la fabrication afin de réduire les pertes et d’intégrer le dispositif dans des appareils multicomposants plus complexes, tels que des interféromètres. Pour sortir du laboratoire, ces dispositifs devront être intégrés aux plateformes informatiques quantiques existantes.

« La capacité à acheminer et à manipuler des phonons individuels sur une puce est essentielle pour transférer des informations quantiques entre différents types de systèmes quantiques et libérer le potentiel des systèmes quantiques hybrides », a conclu M. Gröblacher. « Nous pensons que ce nouveau dispositif sera aussi important que son équivalent optique dans la science moderne. »

Article : A Zivari, N. Fiaschi, L. Scarpelli, M. Jansen, R. Burgwal, E. Verhagen, S. Gröblacher, “A single-phonon directional coupler” 3, 445-451 (2025). DOI: 10.1364/OPTICAQ.569727.

Soruce : Optica