Integrated on-chip quantum light sources on a van der Waals platform

Le rêve de construire un ordinateur quantique capable de résoudre des problèmes hors de portée des machines d'aujourd'hui repose souvent sur un défi unique et tenace : comment faire pour que de minuscules particules de lumière, appelées photons, communiquent entre elles sur une puce unique et minuscule. Dans le monde de l'information quantique, ces photons agissent comme des messagers, transportant des données délicates à travers des circuits. Pour que cela fonctionne à grande échelle, les scientifiques ont besoin d'une plateforme où les sources de lumière qui créent les photons, les canaux qui les guident et les détecteurs qui les capturent sont tous fabriqués à partir de matériaux compatibles et construits ensemble en un seul lieu. Pendant des années, les chercheurs ont tenté d'assembler ces pièces en utilisant différents matériaux, comme le silicium pour les canaux et des semi-conducteurs spéciaux pour les sources de lumière, mais forcer ces différents matériaux à travailler ensemble revient à essayer de coller du verre sur du caoutchouc ; le processus est fragile, complexe et difficile à mettre à l'échelle. Une voie plus prometteuse réside dans l'utilisation d'une famille de matériaux connus sous le nom de matériaux de van der Waals, qui sont composés de feuilles atomiquement minces pouvant être empilées comme des blocs Lego sans nécessiter de liaisons chimiques agressives, offrant ainsi une manière plus propre de construire ces circuits intégrés.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Université technique du Danemark ont franchi une étape significative vers cet objectif en construisant avec succès une source de lumière quantique fonctionnelle entièrement réalisée à partir de ces matériaux minces et empilables. Ils ont créé un dispositif où un type spécifique de cristal atomiquement mince, composé de diséléniure de tungstène, agit comme une usine de photons uniques. Ce cristal a été placé directement sur un guide d'ondes, qui est un canal microscopique fabriqué à partir d'un autre cristal appelé disulfure de tungstène, conçu pour capturer la lumière et la guider le long d'un chemin. Pour extraire la lumière de ce minuscule canal et l'envoyer vers un instrument de mesure, ils ont gravé une série de minuscules anneaux concentriques dans le canal, agissant comme un réseau de diffraction qui diffuse la lumière vers le haut. Le résultat est un système entièrement intégré où la lumière est générée, guidée et extraite, le tout sur une seule puce faite de ces matériaux bidimensionnels.

Les chercheurs se sont concentrés sur une astuce spécifique pour rendre la source de lumière plus brillante et plus propre. Au lieu de frapper le cristal avec un spectre large, ils ont utilisé un laser très précis réglé sur un niveau d'énergie spécifique, juste en dessous du point où le matériau absorberait normalement la lumière. Cette méthode, connue sous le nom d'excitation par états discrets, leur a permis de déclencher l'émission de photons uniques tout en évitant la lueur de fond bruyante qui accompagne habituellement d'autres méthodes. Lorsqu'ils ont testé la lumière sortant du dispositif, ils ont constaté qu'elle était incroyablement pure. Dans le monde de la physique quantique, la pureté est mesurée par la fréquence à laquelle un détecteur voit deux photons arriver exactement au même moment ; pour une véritable source de photons uniques, cela ne devrait presque jamais arriver. L'équipe a mesuré cette valeur, qui est extrêmement proche de zéro, indiquant que le dispositif émettait avec succès un photon à la fois avec une très grande fiabilité.

Pour prouver que la lumière voyageait bien à travers le guide d'ondes et ne s'échappait pas simplement de manière aléatoire, les chercheurs ont mis en place un test ingénieux. Ils ont collecté la lumière des deux extrémités du canal microscopique simultanément. En comparant les flux de photons arrivant à chaque extrémité, ils ont pu confirmer que la lumière était guidée efficacement à travers la puce. Cette mesure des deux côtés a montré que les photons étaient divisés entre les deux extrémités du canal, avec un nombre significatif de photons atteignant les détecteurs. Ils ont calculé que le dispositif était capable d'envoyer des centaines de milliers de photons uniques chaque seconde, un taux qui, lorsqu'il est ajusté pour les pertes du système, suggère que la source génère des millions de photons par seconde à l'intérieur du guide d'ondes. Ce niveau de brillance et d'efficacité représente une amélioration majeure par rapport aux tentatives précédentes utilisant des matériaux similaires.

Un élément clé de leur succès a été la manière dont ils ont empilé les matériaux. Ils ont placé une fine couche d'un matériau appelé nitrure de bore hexagonal entre la source de lumière et le guide d'ondes. Cette couche a agi comme un espaceur protecteur, empêchant le délicat cristal émetteur de lumière de se fissurer lorsqu'il était placé sur le guide d'ondes, tout en permettant à la lumière de se coupler efficacement dans le canal. Sans cet espaceur, les cristaux avaient tendance à se fracturer, ruinant le dispositif. L'équipe a également découvert que la lumière sortante était fortement polarisée, ce qui signifie que les ondes lumineuses vibrent dans une direction spécifique, une caractéristique utile pour contrôler le comportement de la lumière dans les futurs circuits.

L'étude ne prétend pas avoir résolu tous les problèmes de l'informatique quantique, mais elle démontre qu'une source de lumière quantique complète et fonctionnelle peut être construite en utilisant uniquement ces matériaux minces et polyvalents. Les chercheurs ont montré qu'en concevant soigneusement les couches et la forme du guide d'ondes, ils pouvaient surmonter les difficultés habituelles liées au passage de la lumière d'une source vers un canal. Ils ont également écarté l'idée que la lumière ne faisait que se diffuser à la surface ; les mesures ont confirmé que les photons voyageaient à travers les modes du guide d'ondes. Bien que le dispositif actuel soit un prototype, les résultats suggèrent une voie claire pour l'avenir. En ajoutant d'autres composants, tels que des détecteurs et des filtres fabriqués à partir de la même famille de matériaux, les scientifiques pourraient éventuellement construire des circuits quantiques complexes, plus faciles à fabriquer et plus fiables que les systèmes hybrides actuels. Ce travail établit que la plateforme de van der Waals est une base viable et puissante pour la prochaine génération de technologies quantiques.