La photonique quantique connaît une évolution rapide, stimulée par la recherche de technologies plus performantes. Une innovation récente dans le domaine de la photonique intégrée non linéaire pourrait marquer un tournant significatif. Le niobate de lithium en couche mince, un matériau aux propriétés remarquables, se révèle particulièrement adapté aux applications quantiques. Les progrès réalisés dans son utilisation élargissent le champ des possibilités pour la génération de paires de photons corrélés, composants essentiels de la cryptographie et de l’informatique quantiques.
Le niobate de lithium en couche mince s’impose comme une plateforme de choix pour la photonique intégrée non linéaire, particulièrement adaptée aux applications quantiques. Sa capacité à générer des paires de photons corrélés par le biais de la conversion paramétrique descendante spontanée (SPDC) le rend particulièrement intéressant pour la distribution de clés quantiques, la téléportation et l’informatique quantique.
L’accord de phase joue un rôle essentiel pour l’efficacité de la SPDC. Traditionnellement, cet accord est réalisé grâce au niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN), une technique développée dans les années 1980. Malgré sa large adoption, l’efficacité non linéaire ultime du PPLN reste limitée à moins de 50% des cas d’accord de phase parfait. De plus, la fabrication devient de plus en plus exigeante dans les guides d’ondes nanophotoniques.
Le LPLN (Layered Poled Lithium Niobate) nouvellement développé surmonte ces défis grâce à une inversion de domaine couche par couche de l’ensemble du film mince par polarisation électrique. Cette approche permet d’atteindre une efficacité non linéaire supérieure à celle du PPLN conventionnel tout en simplifiant le processus de fabrication.
Di Zhu, professeur assistant à l’Université nationale de Singapour (NUS), a déclaré : «Cette découverte a été accidentelle. L’inversion partielle du domaine était à l’origine une imperfection de fabrication, mais elle s’est avérée étonnamment utile et fiable pour une conversion de longueur d’onde non linéaire efficace et la génération de paires de photons.»
L’équipe de recherche a adopté un processus en cascade de génération de seconde harmonique (SHG) et de SPDC dans un seul guide d’onde LPLN pour générer des paires de photons de télécommunication à large bande. Cette configuration simplifiée ne nécessite que des composants de télécommunications standard, rendant la technologie plus accessible et plus facile à mettre en œuvre dans des applications pratiques.
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«Nous avons réussi à démontrer une génération de seconde harmonique et de paires de photons à haute efficacité dans les guides d’ondes LPLN. En théorie, l’efficacité de la SHG peut être doublée par rapport aux guides d’ondes PPLN conventionnels. Leurs performances non linéaires exceptionnelles, combinées à une résilience accrue face aux variations géométriques et de température, les positionnent comme un candidat prometteur pour la photonique quantique intégrée.» a affirmé Xiaodong Shi, auteur principal de l’étude.
L’équipe de recherche vise maintenant à optimiser davantage les performances et l’évolutivité de ces dispositifs. L’objectif est de les utiliser pour des applications de communication quantique et de réseaux. Les progrès réalisés avec le LPLN pourraient accélérer le développement de technologies quantiques plus efficaces et plus accessibles, élargissant le champ des applications dans des domaines tels que la cryptographie et l’informatique quantiques.
Le développement du LPLN représente une étape importante dans l’évolution de la photonique quantique intégrée. Son potentiel pour améliorer l’efficacité et la fiabilité des dispositifs quantiques pourrait avoir un impact significatif sur l’avenir des technologies de l’information quantique.
Légende illustration : Génération de paires de photons intriqués à partir d’un guide d’onde nanophotonique en niobate de lithium (LPLN). Credit: Light: Science & Applications
Article : « Efficient photon-pair generation in layer-poled lithium niobate nanophotonic waveguides » – DOI: https://www.nature.com/articles/s41377-024-01645-5
