De nouvelles recherches explorent la manière dont les vibrations atomiques affectent l’efficacité de l’émission de photons dans les défauts quantiques, fournissant des informations qui pourraient améliorer la conception des émetteurs quantiques pour les futurs réseaux quantiques.
Quand et pourquoi un émetteur de photons ne parvient-il pas à émettre ? Une recherche menée à l’Université de Californie à Santa Barbara apporte des éclaircissements sur cette question.
Les recherches sur la technologie de l’Internet quantique mettent en évidence le défi de produire des photons stables aux longueurs d’onde des télécommunications, les études récentes se concentrant sur les améliorations des matériaux et les techniques d’émission avancées pour améliorer l’efficacité du réseau quantique.
Les ordinateurs bénéficient grandement d’une connexion à Internet, nous pouvons donc nous demander : à quoi sert un ordinateur quantique sans Internet quantique ?
Le secret de notre Internet moderne réside dans la capacité des données à rester intactes lorsqu’elles voyagent sur de longues distances. Le meilleur moyen d’y parvenir est d’utiliser des photons. Les photons sont des unités simples (« quanta ») de lumière. Contrairement aux autres particules quantiques, les photons interagissent très faiblement avec leur environnement. Cette stabilité les rend également extrêmement intéressants pour transporter des informations quantiques sur de longues distances, un processus qui nécessite de maintenir un état d’intrication délicat pendant une période prolongée. Ces photons peuvent être générés de diverses manières. Une méthode possible consiste à utiliser des imperfections à l’échelle atomique (défauts quantiques) dans les cristaux pour générer des photons uniques dans un état quantique bien défini.
Illustration conceptuelle représentant un défaut quantique émettant un photon unique. Crédit : Mark Turianksy
Des décennies d’optimisation ont permis de mettre au point des câbles à fibre optique capables de transmettre des photons avec une perte extrêmement faible. Cependant, cette transmission à faible perte ne fonctionne que pour la lumière dans une gamme étroite de longueurs d’onde, appelée « bande de longueurs d’onde des télécommunications ». L’identification des défauts quantiques qui produisent des photons à ces longueurs d’onde s’est avérée difficile, mais un financement du ministère américain de l’Énergie et de la National Science Foundation (NSF) a permis aux chercheurs de l’UC Santa Barbara College of Engineering de comprendre pourquoi il en est ainsi. Ils décrivent leurs découvertes dans un article récemment publié dans la revue Photonique APL.
Efficacité d’émission quantique
« Les atomes vibrent constamment, et ces vibrations peuvent drainer l’énergie d’un émetteur de lumière », explique Chris Van de Walle, professeur de matériaux à l’UCSB. « Par conséquent, plutôt que d’émettre une photonun défaut pourrait au contraire provoquer la vibration des atomes, réduisant ainsi l’efficacité d’émission de lumière. » Le groupe de Van de Walle a développé des modèles théoriques pour capturer le rôle des vibrations atomiques dans le processus d’émission de photons et a étudié le rôle de diverses propriétés de défaut dans la détermination du degré d’efficacité.
Leurs travaux expliquent pourquoi l’efficacité de l’émission de photons uniques diminue considérablement lorsque la longueur d’onde d’émission augmente au-delà des longueurs d’onde de la lumière visible (du violet au rouge) jusqu’aux longueurs d’onde infrarouges dans la bande des télécommunications. Le modèle permet également aux chercheurs d’identifier des techniques permettant de concevoir des émetteurs plus brillants et plus efficaces.
« Choisir soigneusement le matériau hôte et procéder à une ingénierie au niveau atomique des propriétés vibratoires sont deux moyens prometteurs pour surmonter la faible efficacité », a déclaré Mark Turiansky, chercheur postdoctoral au
Laboratoire Van de Walle, membre de la NSF UC Santa Barbara Quantum Foundry et chercheur principal du projet.
Une autre solution consiste à se coupler à une cavité photonique, une approche qui a bénéficié de l’expertise de deux autres filiales de Quantum Foundry : le professeur d’ingénierie informatique Galan Moody et Kamyar Parto, étudiant diplômé du laboratoire de Moody.
L’équipe espère que son modèle et les informations qu’il fournit s’avéreront utiles dans la conception de nouveaux émetteurs quantiques qui alimenteront les réseaux quantiques du futur.