Periodically poled thin-film lithium niobate ring Mach Zehnder coupling interferometer as an efficient quantum source of light
Cet article propose un interféromètre de Mach-Zehnder en anneau symétrique utilisant un guide d'ondes en niobate de lithium à polarisation périodique qui, compatible avec la technologie de fabrication actuelle, génère efficacement de la lumière comprimée accordable dépassant -12 dB ainsi que des photons uniques de haute pureté avec une efficacité d'annonce proche de l'unité en utilisant des puissances de pompe inférieures au milliwatt.
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Dans la quête de la construction d'un nouveau type d'ordinateur fonctionnant selon les lois de la mécanique quantique, les scientifiques se tournent vers la lumière. Contrairement aux ordinateurs traditionnels qui utilisent des commutateurs électriques pour traiter l'information, ces futures machines reposent sur des particules de lumière individuelles, appelées photons, pour effectuer des calculs et transmettre des données. Pour que cette vision devienne réalité, les ingénieurs ont besoin de deux types très spécifiques de sources lumineuses. La première est une machine capable de recracher des photons uniques sur demande, un par un, avec un timing parfait et sans bruit supplémentaire. La seconde est une source produisant de la lumière « comprimée » (squeezed light), un état spécial où l'incertitude des propriétés de la lumière est réduite en dessous de la limite normale, une caractéristique essentielle pour une autre branche de l'informatique quantique et de la détection ultra-sensible. Le défi consiste à créer un dispositif unique capable de faire ces deux choses efficacement, avec une faible consommation d'énergie, et dans un format assez petit pour tenir sur une puce informatique.
Une équipe de chercheurs de Nokia Bell Labs a proposé un concept qui répond à ces exigences exigeantes en combinant deux concepts optiques classiques en une structure unique et accordable. Ils décrivent un dispositif construit à partir d'un film mince de niobate de lithium, un cristal connu pour sa capacité à manipuler la lumière, qui est façonné en un résonateur en anneau. Cet anneau est connecté à un interféromètre de Mach-Zehnder, un montage qui divise la lumière en deux chemins avant de les recombiner. L'innovation clé réside dans la manière dont les chercheurs utilisent la chaleur pour contrôler le dispositif. En plaçant de minuscules chauffages sur la puce, ils peuvent ajuster précisément la température des chemins de lumière. Cet accordage thermique leur permet de modifier la façon dont la lumière entre et sort de l'anneau sans avoir besoin d'altérer physiquement la structure de la puce. Cette flexibilité est cruciale car elle leur permet d'optimiser le dispositif pour deux tâches très différentes : la génération de lumière comprimée et la création de photons uniques.
Lorsque les chercheurs ont simulé le comportement de ce dispositif, ils ont découvert qu'il pouvait agir comme un moteur hautement efficace pour la génération de lumière comprimée. En pompant le dispositif avec un faisceau laser à une longueur d'onde spécifique, ils ont montré que l'anneau pouvait produire un état de lumière où le bruit dans une propriété donnée est supprimé. Leurs calculs indiquent qu'avec une quantité très faible de puissance de pompage, moins d'un milliwatt, le dispositif pourrait atteindre un niveau de compression de moins 12 décibels. C'est un résultat significatif car les tentatives précédentes pour créer une telle lumière sur une puce nécessitaient souvent beaucoup plus de puissance ou résultaient en une qualité moindre. De plus, la conception permet d'accorder le dispositif pour atteindre des niveaux de compression encore plus élevés, jusqu'à moins 19 décibels, s'ils sont prêts à utiliser un peu plus de puissance. La capacité de le faire avec une consommation d'énergie aussi faible est vitale, car cela signifie que le dispositif pourrait potentiellement être alimenté par de petits lasers sur puce plutôt que par des équipements externes encombrants.
Le même dispositif s'est également révélé capable de générer des photons uniques, qui sont les briques élémentaires de l'informatique quantique optique linéaire. Pour ce faire, les chercheurs ont simulé un processus où un photon du faisceau de pompage se divise en une paire de photons à l'intérieur de l'anneau. L'un de ces photons sert de signal, tandis que l'autre sert de témoin (herald), annonçant la création du photon de signal. L'équipe a constaté qu'en ajustant soigneusement la température de l'interféromètre, elle pouvait garantir que l'efficacité de l'annonce (heralding efficiency) — la probabilité qu'un photon annoncé existe réellement — atteigne 94 à 99 %. Cette haute efficacité est nécessaire pour s'assurer que l'ordinateur quantique ne perde pas de temps à attendre des photons qui n'arrivent jamais. Cependant, un problème courant dans de tels systèmes est que les photons sont souvent « impurs », ce qui signifie qu'ils sont intriqués avec d'autres propriétés d'une manière qui nuit à leur utilité pour des calculs complexes.
Pour résoudre le problème de pureté, les chercheurs ont proposé une modification astucieuse de la manière de pomper le dispositif. Au lieu d'utiliser une impulsion unique et continue de lumière, ils ont simulé l'utilisation de deux impulsions courtes séparées par une fraction de seconde infime. Cette approche à double impulsion a permis de briser les connexions indésirables entre les photons, aboutissant à une pureté allant jusqu'à 99 % tout en maintenant une haute efficacité d'annonce. Bien que cette méthode semble initialement réduire le taux de génération de photons, les chercheurs ont noté que cette perte pourrait être facilement récupérée en augmentant simplement la puissance de crête des impulsions de pompage. Les simulations suggèrent qu'avec un taux de répétition et une durée d'impulsion standards, une augmentation modeste de la puissance pourrait restaurer le taux de génération à des niveaux comparables à ceux des méthodes moins pures.
Le concept proposé repose entièrement sur des matériaux et des techniques de fabrication déjà disponibles aujourd'hui. L'utilisation de niobate de lithium en film mince et de chauffages thermiques standards signifie que ce dispositif pourrait être fabriqué à l'aide de processus industriels existants, ce qui en fait une étape concrète plutôt qu'une curiosité théorique. En démontrant qu'un seul résonateur en anneau accordable peut produire à la fois de la lumière comprimée de haute qualité et des photons uniques purs, les chercheurs ont offert une solution généralisée aux deux besoins les plus critiques de l'informatique quantique photonique. Leur travail suggère que le chemin vers des ordinateurs quantiques évolutifs ne nécessite pas de nouveaux matériaux entièrement inédits ou des prouesses d'ingénierie impossibles, mais plutôt un contrôle intelligent et précis de la lumière au sein d'une puce qui est déjà à notre portée.
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