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l'expansion de l'informatique quantique à l'aide de sources de lumière intriquées intégrées surmonte les limites traditionnelles des systèmes photoniques quantiques.

récemment, une équipe de recherche internationale de l'université leibniz de hanovre, de l'université de twente et de la startup quix quantum a démontré une source de lumière quantique intriquée entièrement intégrée sur une puce. cette percée marque une étape importante vers l’évolutivité de la technologie quantique, permettant d’intégrer des sources de lumière quantiques dans de petits appareils stables. la recherche scientifique a été publiée dans nature photonics.

les sources de lumière quantique sur puce se composent de trois composants principaux : un milieu non linéaire qui génère des paires de photons intriqués, un laser et un filtre qui garantit la stabilité du laser dans une certaine bande de fréquences.

l'équipe a utilisé cette configuration pour fabriquer une source de lumière quantique avec une cavité laser, un filtre de suppression de bruit réglable très efficace (> 55 db) utilisant l'effet vernier et un diélectrique à microanneaux non linéaire pour une utilisation dans les bandes passantes des télécommunications (paires de photons naturellement mélangées en quatre modes de résonance avec une bande passante d'environ 1 thz). la source peut détecter des paires de photons à une fréquence étonnante d’environ 620 hz et présente un rapport coïncidence/accident élevé d’environ 80.

une nouvelle technologie hybride combine un laser au phosphure d'indium et un filtre en nitrure de silicium sur une seule puce, permettant de réduire la taille de la source lumineuse. cette technologie convient àinformatique quantiqueet les réseaux quantiques, qui peuvent réduire la taille des sources lumineuses de plus de 1 000 fois. les chercheurs affirment que jusqu’à récemment, les sources de lumière quantique nécessitaient des systèmes laser externes et de grande taille, ce qui entravait leur utilisation sur le terrain. malgré ces obstacles, ils les ont surmontés grâce à une nouvelle architecture de puces et diverses plates-formes de connectivité.

l'interférométrie quantique avec une visibilité allant jusqu'à 96 % et la reconstruction de matrice de densité à partir de la tomographie d'état confirment toutes deux que la source génère directement des états quantiques intriqués (qubits) avec une densité de haute fréquence. cela se traduit par une fidélité pouvant atteindre 99 %.

qubits photoniques : avantages et défis

la superposition, l'intrication et l'interférence sont des idées fondamentales de la théorie quantique qui sont directement pertinentes pour l'informatique quantique. la superposition fait référence au fait qu'une particule peut exister dans plusieurs états en même temps ; l'intrication fait référence au phénomène selon lequel les particules peuvent être liées les unes aux autres même à une distance physique ; l'interférence fait référence au phénomène selon lequel les particules peuvent s'améliorer ou s'annuler les unes les autres ; .

les sources de lumière quantique produisent les composants fondamentaux des ordinateurs quantiques et des réseaux quantiques, appelés qubits. les qubits photoniques offrent plusieurs avantages par rapport à d’autres formes de qubits, notamment ceux basés sur des dispositifs supraconducteurs ou des atomes piégés. par exemple, les qubits photoniques sont moins sensibles au bruit ambiant (qui peut perturber les systèmes quantiques fragiles) et n’ont pas besoin d’être refroidis à des températures cryogéniques.

mais les qubits photoniques sont plus sujets aux fuites et donc plus difficiles à enchevêtrer, une étape nécessaire pour les calculs impliquant plusieurs qubits simultanément. l'amélioration des ordinateurs quantiques basés sur la lumière nécessite une intégration photonique, c'est-à-dire le confinement des photons se déplaçant dans des guides d'ondes de l'ordre du micron gravés dans des circuits.

technologie quantique

le développement de processeurs quantiques entièrement intégrés pouvant être produits à grande échelle est l’un des obstacles les plus épineux dans la construction d’ordinateurs quantiques. le piégeage des qubits d’ions est généralement contrôlé par des faisceaux laser individuels, nécessitant un alignement précis, mais cette approche devient peu pratique lorsque le nombre de qubits augmente.

en permettant des dizaines, voire des millions de qubits, les futurs dispositifs quantiques chercheront à réduire la complexité des ordinateurs quantiques et ainsi à accroître leur évolutivité. les ordinateurs quantiques à pièges à ions utilisent des atomes uniques comme qubits via des interactions coulombiennes, qui deviennent chargés positivement après ionisation. les champs électromagnétiques organisent ces atomes selon des réseaux, tandis que les lasers créent des portes quantiques qui modifient l'état de l'électron.

l’intégration du contrôle de ces qubits au niveau de la puce constitue la plus grande difficulté. bien qu’il s’agisse d’outils conventionnels, les lasers peuvent provoquer des erreurs et sont difficiles à combiner.

source de lumière quantique photonique intégrée au laser avec paires de photons intriqués en fréquence

conception

cette conception résout de nombreux problèmes importants en photonique quantique. la source de lumière est un amplificateur optique à semi-conducteur réfléchissant (rsoa) hybride intégré iii-v avec un circuit de rétroaction basé sur du nitrure de silicium (si3n4). l'amplificateur à puits quantique de 700 mètres de long fabriqué par fraunhofer hhi produit un gain d'environ 1 550 nm. grâce à une liaison adhésive entre le guide d'ondes iii-v et le guide d'ondes si3n4, le système optique présente un alignement parfait. pour de meilleures performances, les côtés inclinés et les revêtements antireflet réduisent les reflets arrière.

l'intégration de circuits de rétroaction de guide d'ondes réduit la largeur de ligne intrinsèque du laser et élimine le bruit, améliorant ainsi la stabilité et la qualité des photons intriqués. de plus, la faible perte et le fort indice de réfraction non linéaire du si3n4 facilitent un fonctionnement à haute puissance et une génération efficace de photons. pour garantir des performances optimales pour les applications quantiques, le dispositif comprend également un résonateur à micro-anneaux (mrr) pour améliorer la transmission du signal et la génération de paires de photons.

le circuit de rétroaction si3n4 se compose de plusieurs résonateurs à micro-anneaux (mrr) dont la conception est basée sur l'effet vernier. le mrr est dimensionné avec précision pour garantir un filtrage efficace et un fonctionnement laser monomode ; l'anneau est sélectionné pour réduire les pertes et maintenir un faible rayon de courbure. un chauffage résistif est également inclus dans le circuit pour le réglage thermique afin que le mécanisme de rétroaction puisse être contrôlé avec précision.

des revêtements hautement réfléchissants et des boucles sagnac, combinés à un interféromètre mach-zehnder (mzi) pour une rétroaction équilibrée, forment le miroir de la cavité laser. la correspondance de mode est optimisée pour minimiser les pertes entre la puce de gain, la puce de rétroaction et la fibre, garantissant ainsi une efficacité optimale via le port d'extraction connecté à la fibre de maintien de polarisation. le filtrage vernier atteint un taux de suppression de mode latéral (smsr) élevé et réduit considérablement le bruit d'émission spontanée amplifiée (ase), améliorant ainsi la capacité de suppression du bruit des sources quantiques hybrides.

l’une des caractéristiques les plus uniques de cette conception est l’efficacité d’extraction différentielle des paires de photons signal et libre, générées par mélange spontané à quatre ondes (sfwm) dans le mrr. la conception garantit une extraction de près de 100 % des paires de photons non classiques tout en minimisant la présence de photons de pompe en sortie, améliorant ainsi la qualité globale du signal pour les applications quantiques.

la conception des microanneaux et le réglage du facteur q sont importants pour les performances du système car ils équilibrent la longueur de cohérence, le taux de génération de paires de photons et la stabilité du système. ce système est parfait pour les applications de communication et d'informatique quantiques, car un réglage minutieux des coefficients de couplage et des effets thermiques permet des temps de cohérence élevés et des pertes minimes.

cette approche entièrement intégrée permet de disposer d’un approvisionnement réduit et reproductible de photons intriqués pouvant être utilisés à des fins pratiques, marquant une étape importante vers des technologies quantiques évolutives. en tant que concurrent sérieux pour les systèmes informatiques et de communication quantiques de nouvelle génération, le taux de génération de paires de photons et le taux de coïncidence/accident (car) sont comparables à ceux des autres plates-formes.

cette découverte surmonte les limites traditionnelles des systèmes photoniques quantiques et ouvre la voie à des dispositifs quantiques plus accessibles et plus puissants, favorisant ainsi le développement de la science du traitement de l'information quantique.

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