Des miroirs microscopiques pour les futurs réseaux quantiques

Anne J. Manning

Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et de la Faculté des arts et des sciences ont conçu une nouvelle méthode pour fabriquer certains des miroirs les plus petits et les plus lisses jamais créés pour contrôler des particules uniques de lumière, appelées photons. Ces miroirs pourraient jouer des rôles clés dans les futurs ordinateurs quantiques, réseaux quantiques, lasers intégrés, équipements de détection environnementale, et plus encore. 

Une équipe des laboratoires de Marko Lončar, professeur Tiantsai Lin en génie électrique à SEAS ; Mikhail Lukin, professeur d’université Joshua et Beth Friedman au département de physique ; et Kiyoul Yang, professeur assistant en génie électrique à SEAS ; a publié dans Optica à propos de leur nouvelle méthode pour fabriquer des miroirs optiques courbés hautes performances. En utilisant deux de ces miroirs pour piéger la lumière entre eux, l’équipe a démontré des résonateurs optiques de pointe qui peuvent contrôler la lumière à des longueurs d’onde proches de l’infrarouge, ce qui est important pour manipuler des atomes uniques dans les applications de calcul quantique. 

Les résonateurs optiques, également appelés cavités optiques, sont des éléments fondamentaux d’innombrables dispositifs à base de lumière aujourd’hui, des instruments de précision pour la mesure du temps et la spectroscopie, aux lasers et interconnexions optiques dans les centres de données. Ils sont comme des cordes de guitare, mais pour la lumière : seules certaines longueurs d’onde de la lumière (par opposition aux sons) peuvent s’insérer dans l’espace entre deux miroirs et s’intensifier. De plus en plus, les applications quantiques nécessitent ces mêmes types de cavités optiques, mais beaucoup plus petites et avec une perte de signal plus faible. 

La nouvelle méthode de microfabrication de l’équipe de Harvard, dirigée par la première auteure et ancienne étudiante diplômée Sophie Ding, a été inspirée par un problème pratique auquel sont confrontés des collègues en physique expérimentale qui tentent de construire des réseaux quantiques à partir d’atomes uniques ultra-froids. Ils étaient à la recherche de cavités optiques avec des miroirs extrêmement lisses qui pourraient fortement coupler les atomes aux photons, fonctionner à des longueurs d’onde spécifiques, et être mises à l’échelle et façonnées. 

« Nous avions besoin de ces interfaces photoniques de haute qualité pour créer des moyens efficaces de faire interagir des photons uniques avec des atomes uniques, permettant un réseautage quantique rapide et haute fidélité », a expliqué le co-auteur de l’article Brandon Grinkemeyer, chercheur postdoctoral dans le laboratoire Lukin.

Mais la plupart des méthodes de lithographie ou de gravure aujourd’hui ne peuvent produire des surfaces de miroir suffisamment lisses pour les applications quantiques les plus exigeantes. 

La nouvelle méthode de Ding est un exemple de travail plus intelligent, pas plus dur. 

Les chercheurs ont commencé par une plaquette de silicium et ont utilisé l’oxydation thermique pour faire croître une fine couche d’oxyde de silicium à la surface, ce qui permet d’aplanir les bosses et les rainures. Lorsqu’il est retiré, l’oxyde laisse derrière lui une surface de silicium lisse. Sur cette surface, les chercheurs ont déposé un empilement précisément conçu de couches d’oxyde transparentes, appelé revêtement de miroir diélectrique. Lorsqu’un trou est gravé à l’arrière et que le revêtement est libéré de la plaquette de silicium, il se déforme en une forme parfaitement courbée en raison de la contrainte mécanique intégrée, formant naturellement un miroir de haute qualité. 

Ce processus permet aux chercheurs de contrôler le rayon de courbure du miroir et les longueurs d’onde de la lumière que le miroir réfléchira, rendant la méthode hautement évolutive et relativement simple. 

« En microfabrication, nous sommes parfois limités par l’idée que la rugosité de surface est définie par la gravure ou le masque, et nous nous efforçons de les optimiser », a souligné Ding. « Mais lorsque nous utilisons les propriétés des matériaux, nous pouvons en faire beaucoup moins et obtenir des résultats plus robustes. »

Les chercheurs ont montré que leurs résonateurs microfabriqués pouvaient atteindre une « finesse » record de 0,9 million à une longueur d’onde de 780 nanomètres, ce qui signifie que la lumière peut rebondir d’avant en arrière à l’intérieur de la cavité près d’un million de fois avant de se disperser. En revanche, les signaux de télécommunications optiques transmettent à des longueurs d’onde de 1550 nanomètres. 

Les cavités optiques créées avec la nouvelle méthode de Ding pourraient être utilisées dans des applications de calcul quantique modulaires, dans lesquelles de nombreux atomes sont liés entre eux par des photons dans des fibres optiques. Les cavités seraient les interfaces critiques qui permettent à l’état quantique d’un atome d’être converti en lumière, transmis et réécrit dans un autre atome. 

L’impact potentiel de ce travail s’étend au-delà du calcul quantique. En raison de sa polyvalence et de son évolutivité, il pourrait être adapté à d’autres longueurs d’onde qui servent aux lasers ultra-compacts, aux capteurs spectroscopiques, et à la photonique intégrée dans laquelle de nombreux résonateurs optiques peuvent être construits directement sur des puces. 

Article : High finesse buckled microcavities – Journal : Optica – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Havard U.