Des lasers à disque pour une transmission quantique à longue portée

L’expansion de la fibre optique progresse à l’échelle mondiale, augmentant non seulement la bande passante des connexions Internet conventionnelles, mais rapprochant également la réalisation d’un Internet quantique global. Cet Internet quantique permettrait de contribuer à exploiter pleinement le potentiel de certaines technologies, comme l’informatique quantique plus puissante grâce à la liaison de processeurs et de registres quantiques, une communication plus sécurisée grâce à la distribution de clés quantiques ou des mesures de temps plus précises grâce à la synchronisation des horloges atomiques.

Les défis de l’Internet quantique

Les différences entre la norme de fibre de verre de 1550 nm et les longueurs d’onde des divers bits quantiques (qubits) réalisés à ce jour représentent toutefois un obstacle, car ces qubits se situent principalement dans le spectre visible ou proche infrarouge.

Les chercheurs souhaitent surmonter cet obstacle à l’aide de la conversion de fréquence quantique, capable de modifier spécifiquement les fréquences des photons tout en conservant toutes les autres propriétés quantiques. Cela permet une conversion vers la gamme de télécommunications de 1550 nm pour une transmission à longue portée et à faible perte des états quantiques.

Le projet « HiFi — Highly integrated quantum frequency converter of highest fidelity based on innovative laser, fiber and production technology », financé par le ministère fédéral allemand de l’Éducation et de la Recherche (BMBF), vise à développer toutes les technologies nécessaires pour fournir des convertisseurs de fréquence quantique (QFK) à haute efficacité et faible bruit pour les premières pistes d’essai.

Les lasers à disque de Fraunhofer IAF

Dans le cadre de ce projet, l’Institut Fraunhofer pour la physique des états solides appliquée IAF a contribué au développement de lasers à disque (également connus sous le nom de lasers à émission par la surface à cavité externe verticale, VECSELs) basés sur l’antimoniure de gallium (GaSb). Il s’agit de lasers à semi-conducteurs à émission par la surface, pompés optiquement, avec un résonateur externe et un filtre intracavité pour la sélection de la longueur d’onde.

Selon Dr. Marcel Rattunde, coordinateur du sous-projet HiFi et responsable du département optoélectronique de Fraunhofer IAF, « Les VECSELs que nous avons développés dans le cadre de HiFi sont des sources de pompage à bande spectrale étroite qui, selon la longueur d’onde de sortie des qubits utilisés, couvrent spécifiquement une longueur d’onde comprise entre 1,9 et 2,5 µm et atteignent une puissance de sortie allant jusqu’à 2,4 W avec une stabilité de longueur d’onde absolue inférieure à 2 fm. Cela correspond à une stabilité de fréquence inférieure à 100 kHz et se situe nettement en dessous de la classe de stabilité de fréquence 1E-9. Ce résultat représente un record international pour ce type de laser. »

Ce résultat a été rendu possible grâce à une étroite collaboration avec le partenaire du projet, MENLO Systems GmbH. Ensemble, ils ont verrouillé le laser à disque sur un peigne de fréquences, lui-même couplé à une référence de 10 MHz.

La conversion de fréquence quantique à l’aide de lasers de pompe

Dans la conversion de fréquence quantique, l’énergie du photon de pompe est soustraite du photon de signal par un processus de différence de fréquence dans un cristal optique non linéaire. Pour garantir un processus à faible bruit, l’énergie des photons de pompe doit être inférieure à la longueur d’onde cible (généralement 1550 nm), sinon le laser de pompe peut générer des photons dans le signal de sortie en raison d’effets parasites.

En combinaison avec le peigne de fréquences MENLO, les VECSELs développés à Fraunhofer IAF répondent aux exigences élevées de la conversion de fréquence quantique, car leur bande passante étroite et leur stabilité de longueur d’onde empêchent les fluctuations de la longueur d’onde de pompe et, par conséquent, les changements de la longueur d’onde cible des qubits. S’il y a un écart supérieur à la largeur de raie naturelle, les qubits ne seraient plus indiscernables, ce qui éliminerait une exigence de base pour le traitement quantique mécanique ultérieur.

Du 7 au 11 avril 2024, les chercheurs du Fraunhofer IAF présenteront leurs derniers résultats de recherche dans le domaine de l’optoélectronique lors du salon SPIE Photonics Europe de cette année à Strasbourg.

Steffen Adler parlera des résultats du projet HiFi le 11 avril à 14h dans sa présentation « High-power 2 μm GaSb-based VECSEL with an absolute wavelength stability below 1 MHz » (VECSEL haute puissance à base de GaSb avec une stabilité absolue de la longueur d’onde inférieure à 1 MHz).