Nouvelle source de particules de lumière quantique – Technoguide

La technologie quantique est très prometteuse: d’ici quelques années à peine, les ordinateurs quantiques devraient révolutionner les recherches dans les bases de données, les systèmes d’IA et les simulations informatiques. Aujourd’hui déjà, la cryptographie quantique peut garantir un transfert de données absolument sécurisé, mais avec des limitations. La plus grande compatibilité possible avec notre électronique actuelle à base de silicium sera un avantage majeur. Et c’est précisément là que les physiciens du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de la TU Dresden ont fait des progrès remarquables: l’équipe a conçu une source de lumière à base de silicium pour générer des photons uniques qui se propagent bien dans les fibres de verre.

La technologie quantique repose sur la capacité de contrôler le comportement des particules quantiques aussi précisément que possible, par exemple en verrouillant des atomes individuels dans des pièges magnétiques ou en envoyant des particules de lumière individuelles – appelées photons – à travers les fibres de verre. Ce dernier est la base de la cryptographie quantique, une méthode de communication qui est, en principe, à l’épreuve des prises: tout voleur de données potentiel interceptant les photons détruit inévitablement leurs propriétés quantiques. Les expéditeurs et les destinataires du message le remarqueront et pourront arrêter la transmission compromise à temps.

Cela nécessite des sources lumineuses qui fournissent des photons uniques. De tels systèmes existent déjà, notamment à base de diamants, mais ils ont un défaut: «Ces sources de diamant ne peuvent générer des photons qu’à des fréquences qui ne sont pas adaptées à la transmission par fibre optique», explique le physicien du HZDR, le Dr Georgy Astakhov. “Ce qui est une limitation significative pour une utilisation pratique.” Astakhov et son équipe ont donc décidé d’utiliser un matériau différent – le silicium, matériau de base électronique éprouvé.

100 000 photons uniques par seconde

Pour que le matériau génère les photons infrarouges nécessaires à la communication par fibre optique, les experts l’ont soumis à un traitement spécial, projetant sélectivement du carbone dans le silicium avec un accélérateur au centre de faisceau d’ions HZDR. Cela a créé ce que l’on appelle des centres G dans le matériau – deux atomes de carbone adjacents couplés à un atome de silicium formant une sorte d’atome artificiel.

Lorsqu’il est rayonné avec une lumière laser rouge, cet atome artificiel émet les photons infrarouges souhaités à une longueur d’onde de 1,3 micromètre, une fréquence parfaitement adaptée à la transmission par fibre optique. «Notre prototype peut produire 100 000 photons uniques par seconde», rapporte Astakhov. “Et il est stable. Même après plusieurs jours de fonctionnement continu, nous n’avons observé aucune détérioration.” Cependant, le système ne fonctionne que dans des conditions extrêmement froides – les physiciens utilisent de l’hélium liquide pour le refroidir à une température de moins 268 degrés Celsius.

«Nous avons pu montrer pour la première fois qu’une source de photons unique à base de silicium est possible», se réjouit le collègue d’Astakhov, le Dr Yonder Berencén. “Cela permet essentiellement d’intégrer de telles sources avec d’autres composants optiques sur une puce.” Entre autres, il serait intéressant de coupler la nouvelle source lumineuse avec un résonateur pour résoudre le problème que les photons infrarouges émergent largement de la source de manière aléatoire. Pour une utilisation en communication quantique, cependant, il serait nécessaire de générer des photons à la demande.

Source lumineuse sur puce

Ce résonateur pourrait être réglé pour frapper exactement la longueur d’onde de la source lumineuse, ce qui permettrait d’augmenter le nombre de photons générés au point où ils sont disponibles à tout moment. «Il a déjà été prouvé que de tels résonateurs peuvent être construits en silicium», rapporte Berencén. “Le chaînon manquant était une source à base de silicium pour des photons uniques. Et c’est exactement ce que nous avons maintenant pu créer.”

Mais avant de pouvoir envisager des applications pratiques, les chercheurs du HZDR doivent encore résoudre certains problèmes – comme une production plus systématique des nouvelles sources télécoms à photon unique. «Nous allons essayer d’implanter le carbone dans le silicium avec une plus grande précision», explique Georgy Astakhov. «Le HZDR avec son Ion Beam Center fournit une infrastructure idéale pour réaliser de telles idées.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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