Silicium et photonique : vers des applications quantiques à grande échelle ?

Les chercheurs ont franchi une étape cruciale dans la technologie quantique en maîtrisant la dimension de fréquence au sein de la photonique intégrée. La réalisation décrite ci-dessous promet des avancées significatives dans le domaine de l’informatique quantique et jette les bases de réseaux de communication ultra-sécurisés.

La photonique intégrée, qui consiste à manipuler la lumière au sein de minuscules circuits sur des puces en silicium, est depuis longtemps considérée comme une technologie clé pour les applications quantiques en raison de sa scalabilité et de sa compatibilité avec les infrastructures de télécommunications existantes.

Dans une étude, des chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologie (C2N), de Télécom Paris et de STMicroelectronics (STM) ont surmonté des limitations antérieures en développant des résonateurs à anneau en silicium avec une empreinte inférieure à 0,05 mm², capables de générer plus de 70 canaux de fréquence distincts espacés de 21 GHz.

Contrôle parallèle de qubits

Cette avancée permet la parallélisation et le contrôle indépendant de 34 portes de qubits uniques en utilisant seulement trois dispositifs électro-optiques standard. Le dispositif peut générer efficacement des paires de photons intriqués en fréquence, manipulables à volonté – des composants critiques dans la construction de réseaux quantiques.

L’innovation clé réside dans la capacité à exploiter ces séparations de fréquence étroites pour créer et contrôler des états quantiques. En utilisant des résonateurs à anneau intégrés, les chercheurs ont généré des états intriqués en fréquence via un processus appelé mélange à quatre ondes spontanées. Cette technique permet aux photons d’interagir et de s’intriquer, une capacité cruciale pour la construction de circuits quantiques.

Validation expérimentale

Pour valider leur approche, l’équipe a mené des expériences au C2N, réalisant une tomographie d’état quantique sur 17 paires de qubits maximaux intriqués à travers différents bacs de fréquence. Cette caractérisation détaillée a confirmé la fidélité et la cohérence de leurs états quantiques, marquant une étape significative vers l’informatique quantique pratique.

Les chercheurs ont également établi ce qu’ils croient être le premier réseau quantique entièrement connecté à cinq utilisateurs dans le domaine de la fréquence. Cette réalisation ouvre de nouvelles voies pour les protocoles de communication quantique, qui reposent sur la transmission sécurisée d’informations encodées dans des états quantiques.

En regardant vers l’avenir, cette recherche met en lumière le potentiel de la photonique en silicium pour faire progresser les technologies quantiques et ouvre la voie à des applications futures en informatique quantique et en communications sécurisées. Avec des avancées continues, ces plateformes de photonique intégrée pourraient transformer les industries dépendantes de la transmission sécurisée des données, offrant des niveaux de puissance de calcul et de sécurité des données sans précédent.

Applications à grande échelle dans l’information quantique

Le Dr Antoine Henry du C2N et de Télécom Paris, auteur correspondant, a commenté : « Notre travail met en lumière comment les bacs de fréquence peuvent être exploités pour des applications à grande échelle dans l’information quantique. Nous croyons qu’il offre des perspectives pour des architectures de domaine de fréquence évolutives pour des communications quantiques à haute dimension et efficaces en ressources. »

Henry note que les photons uniques à des longueurs d’onde de télécommunications sont idéaux pour des applications réelles utilisant les réseaux de fibres optiques existants. La photonique intégrée permet la miniaturisation, la stabilité et la scalabilité, ainsi que la génération efficace et personnalisée de paires de photons pour mettre en œuvre des réseaux quantiques avec encodage en fréquence à des longueurs d’onde de télécommunications.

Implications de la recherche

Les implications de cette recherche sont vastes. En exploitant la dimension de fréquence dans la photonique intégrée, les chercheurs ont débloqué des avantages clés, notamment la scalabilité, la résilience au bruit, la parallélisation et la compatibilité avec les techniques de multiplexage télécom existantes.

Alors que le monde se rapproche de la réalisation du plein potentiel des technologies quantiques, cette étape rapportée par les chercheurs du C2N, de Télécom Paris et de STM sert de phare, guidant vers un avenir où les réseaux quantiques offrent des communications sécurisées.

Article de A. Henry et al, « Parallelization of frequency domain quantum gates : manipulation and distribution of frequency-entangled photon pairs generated by a 21 GHz silicon microresonator, » Adv. Photonics 6(3) 036003 (2024), DOI: 10.1117/1.AP.6.3.036003