Détecter une seule particule de lumière est difficile ; détecter un seul photon micro-onde l’est encore plus. Les photons micro-ondes, ces infimes paquets de rayonnement électromagnétique utilisés dans les technologies actuelles comme le Wi-Fi et les radars, transportent bien moins d’énergie que la lumière visible. Ils sont environ 100 000 fois plus faibles que les photons optiques.
De nombreuses technologies quantiques existantes dépendent de la détection individuelle de photons avec une grande fiabilité. Pour la lumière visible, cela est bien établi grâce à des dispositifs qui convertissent la lumière incidente directement en signaux électriques. Mais aux fréquences micro-ondes (0,3—30 GHz), cela échoue car chaque photon individuel ne transporte pas assez d’énergie pour libérer une charge électrique dans un matériau. Cela signifie que détecter des photons micro-ondes individuels nécessite une stratégie complètement différente.
Un objectif de longue date a été de réaliser un dispositif simple capable de détecter en continu les photons micro-ondes. Désormais, des scientifiques de l’EPFL dirigés par Pasquale Scarlino ont développé un détecteur à base de semi-conducteur qui représente un pas important dans cette direction.
Publié dans Science Advances, le dispositif combine une structure semi-conductrice appelée « point quantique double » avec une cavité micro-onde supraconductrice — un minuscule circuit résonant qui piège et stocke les photons micro-ondes pour qu’ils interagissent fortement avec le dispositif. Ensemble, ces composants convertissent les photons micro-ondes incidents en un faible courant électrique mesurable.
« Au-delà de l’établissement d’une nouvelle référence pour les photodétecteurs micro-ondes à base de semi-conducteurs, ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour l’optique micro-ondes quantique, la détection quantique et les plates-formes d’information quantique évolutives », explique Scarlino.
Deux composants principaux
Le cœur du détecteur est un point quantique double : deux îlots infimes de matériau semi-conducteur qui peuvent chacun contenir un seul électron. Les chercheurs ont défini ces îlots en utilisant des grilles métalliques sur une puce semi-conductrice fabriquée sur une hétérostructure d’arséniure de gallium/arséniure d’aluminium et de gallium (GaAs/AlGaAs) qui héberge un gaz électronique bidimensionnel de haute qualité et permet un contrôle précis des électrons individuels.
L’une des grilles métalliques est connectée à une cavité supraconductrice construite à partir d’un réseau de jonctions Josephson — de petits dispositifs supraconducteurs constitués de deux supraconducteurs séparés par une fine barrière isolante qui permettent aux courants quantiques de circuler et créent un circuit micro-onde hautement accordable. Cette cavité stocke les photons micro-ondes à des fréquences comprises entre 3 et 5,2 gigahertz. Parce que la cavité a une impédance électrique élevée, ce qui facilite un fort champ électrique induit par la cavité, elle interagit fortement avec la charge électronique dans les points quantiques.
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Détecter des photons micro-ondes individuels
Lorsqu’un photon micro-onde entre dans la cavité et que son énergie correspond à la séparation d’énergie du point quantique double, le photon peut être absorbé par l’électron du point quantique double. Cette absorption excite le système et provoque le déplacement de l’électron entre les deux points. L’électron tunnelise ensuite vers un réservoir voisin. Ce mouvement crée un faible courant continu. En mesurant ce courant, les chercheurs peuvent savoir qu’un photon a été absorbé.
Pour mesurer les performances du détecteur, l’équipe s’est d’abord assurée de connaître l’intensité du signal micro-onde entrant en mesurant le changement des niveaux d’énergie du dispositif. Ils ont ensuite mesuré le courant source-drain traversant le point quantique double, entre ses deux réservoirs d’électrons, tout en augmentant progressivement la puissance micro-onde. Lorsque le signal était si faible que moins d’un photon était présent à la fois, le courant augmentait proportionnellement au nombre de photons entrants.
Applications quantiques futures
Selon son réglage, le système a détecté entre 55 % et 67,7 % des photons entrants, le meilleur réglage approchant les 70 %. Cela signifie que la plupart des photons qui entrent dans le système sont convertis en un signal électrique mesurable, une avancée significative pour les détecteurs micro-ondes à base de semi-conducteurs.
Le dispositif fonctionne également en continu. Une fois qu’un photon est absorbé, le système se réinitialise en quelques nanosecondes à mesure que les électrons entrent et sortent des points, prêt pour l’événement suivant. Ses performances sont comparables à celles d’autres détecteurs de photons micro-ondes de pointe. Et parce que le dispositif est construit à partir de points quantiques semi-conducteurs, il pourrait en principe être intégré sur la même puce que les qubits de spin, contribuant ainsi à connecter la photonique micro-onde avec l’informatique quantique basée sur les semi-conducteurs.
Fabian Oppliger, Wonjin Jang, Aldo Tarascio, Franco De Palma, Christian Reichl, Werner Wegscheider, Ville F. Maisi, Dominik Zumbühl, Pasquale Scarlino. Tunable high-efficiency microwave photon detector based on a double quantum dot coupled to a superconducting high-impedance cavity. Science Advances 03 April 2026. DOI: 10.1126/sciadv.aeb9784
Article : Tunable high-efficiency microwave photon detector based on a double quantum dot coupled to a superconducting high-impedance cavity. – Journal : Science Advances – DOI : Lien vers l’étude
