Les technologies quantiques connaissent un essor fulgurant grâce à la collaboration entre laboratoires nationaux et universités. Le développement de microsystèmes intégrés offre de nouvelles possibilités pour l’informatique et les communications du futur.
Les Sandia National Laboratories et l’Université d’État de l’Arizona ont uni leurs forces dans le domaine des technologies quantiques. Leur objectif : miniaturiser les systèmes optiques à grande échelle en microsystèmes intégrés performants.
Nils Otterstrom, physicien spécialisé en photonique intégrée chez Sandia, travaille sur la réduction des systèmes optiques à l’échelle d’une puce. Cette innovation promet des avantages en termes de performance et d’évolutivité pour de nombreuses applications, de l’informatique avancée aux communications sécurisées.
«La photonique intégrée transforme les systèmes optiques macroscopiques en dispositifs microscopiques. Nous développons de nouveaux composants et explorons la physique des dispositifs pour réaliser toutes les fonctionnalités nécessaires à la recherche fondamentale et à la création de microsystèmes quantiques de nouvelle génération.» a ajouté le physicien.
L’expertise combinée au service du quantique
Une collaboration fructueuse s’est établie entre Nils Otterstrom et Joe Lukens, directeur principal du réseau quantique à l’Université d’État de l’Arizona. Ce dernier est un expert de l’utilisation des fréquences lumineuses pour transporter l’information quantique dans le calcul et les réseaux quantiques.
Cette collaboration a été officialisée par un nouvel accord de recherche et développement coopératif, financé par le Quantum Collaborative (QC). Le QC rassemble des institutions académiques et de recherche, dont des laboratoires nationaux. L’État de l’Arizona finance cette initiative, gérée par l’Université d’État de l’Arizona.
Joe Lukens a souligné l’importance de cette approche collaborative : «L’avenir appartient au quantique. Pour réussir, nous ne pouvons pas compter uniquement sur des chercheurs ou des institutions isolés. Le QC est un réseau intentionnel d’individus partageant le même objectif : développer les technologies de l’information quantique et travailler ensemble.»
Avant l’accord avec Sandia, Lukens concentrait ses travaux sur les systèmes à fibre optique pour le traitement de l’information quantique basé sur les fréquences. Il a précisé : «Dans l’approche fréquentielle, le qubit est un photon pouvant posséder simultanément deux longueurs d’onde différentes. Un zéro correspond à une couleur, et un à l’autre. Ce codage est avantageux pour les communications quantiques, car il se transmet bien dans la fibre optique.»
C’est à ce stade que les ressources de Sandia en photonique intégrée entrent en jeu. Lukens a ajouté : «Sandia possède l’une des fonderies les plus flexibles au monde, non seulement en microélectronique mais aussi en photonique. Sandia peut fabriquer de petits circuits photoniques intégrés capables de réaliser les mêmes fonctionnalités qu’une grande table optique d’un mètre carré.»
Des composants innovants pour la photonique quantique
Otterstrom a détaillé les avancées technologiques réalisées : «Dans ce paradigme de codage fréquentiel, nous devons créer des types spéciaux de séparateurs de faisceau qui prennent une couleur de lumière et la divisent en deux. Nous avons développé chez Sandia, en collaboration avec l’équipe du professeur Peter Rakich à l’Université de Yale, des dispositifs modulateurs de phase très efficaces et novateurs.»
Ces dispositifs reposent sur des guides d’ondes en silicium suspendus qui transmettent la lumière et les ondes sonores gigahertz, générées par des transducteurs électromécaniques en nitrure d’aluminium co-intégrés.
Otterstrom a poursuivi : «Le résultat est des structures optomécaniques hautement flexibles qui divisent acousto-optiquement un photon en plusieurs fréquences. Cela permet de réaliser un traitement de l’information quantique dans un espace dimensionnel beaucoup plus élevé. On peut considérer que la couleur de la lumière peut effectivement transporter l’information quantique.»
Vers le déploiement des réseaux quantiques
L’objectif de Lukens est de passer des expériences de preuve de concept au déploiement dans les réseaux quantiques. Il a déclaré : «Pour y parvenir, nous avons besoin de systèmes avec des pertes plus faibles que ce que nous pouvons obtenir aujourd’hui avec des dispositifs commerciaux, et nous avons besoin de systèmes un peu moins coûteux.»
La collaboration porte ses fruits. Le programme de recherche dirigé par les laboratoires de Sandia a accordé 17 millions de dollars pour faire progresser les travaux de l’équipe en photonique quantique basée sur les fréquences. Ce financement prend la forme d’un programme Grand Challenge appelé Error-Corrected Photonic Integrated Qubits, ou EPIQ.
Otterstrom a conclu : «Ce financement permettra une mise en œuvre et une intégration à grande échelle de la physique des dispositifs explorée dans la collaboration initiale avec l’Université d’État de l’Arizona pour créer un qubit photonique utile et corrigeable.»
Légende illustration : Les laboratoires nationaux Sandia collaborent avec l’université d’État de l’Arizona pour faire progresser la façon dont la lumière peut transporter des informations quantiques. Au lieu d’utiliser les grandes tables optiques habituelles, Sandia développe des technologies de dispositifs acousto-optiques, comme la plaquette de huit pouces ci-dessus, qui peuvent réfléchir sélectivement différentes couleurs de lumière. Photo de Craig Fritz.
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