Miniaturisation d’une source de lumière pour les technologies quantiques

Miniaturisation d’une source de lumière pour les technologies quantiques

Fortement soutenues au niveau national et européen, les technologies quantiques promettent des innovations radicales dans les domaines des communications, du calcul, de la détection, de l’imagerie et de la métrologie.

Des équipes à Thales Research and Technology France et au Centre de Nanosciences et Nanotechnologies à Palaiseau (CNRS/UPSaclay/UParis) ont développé une source pour les technologies quantiques appelée « oscillateur paramétrique à cristaux photoniques ». Un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) est similaire à un Laser en ce sens qu’il génère de la lumière cohérente par le processus d’émission stimulée; les photons ayant tous approximativement les mêmes énergie, polarisation et moment. Contrairement à un laser, les photons sont émis en paires issus du processus de conversion de deux photons dits de « pompe » injectés dans le dispositif. Les fluctuations de ces photons sont corrélées ; par exemple, si un photon de la paire a une énergie légèrement supérieure, alors son « partenaire » aura une énergie plus faible. Cette propriété est largement exploitée dans les technologies quantiques, en particulier pour réduire le bruit dans les mesures, pour crypter les communications, mais aussi pour le calcul.

Cependant, les OPO ont longtemps été encombrants et chers. Avec l’essor de l’optique intégrée, les OPO existent maintenant en version micrométrique. Thales et le C2N ont réussi à réaliser un OPO encore plus petit, d’une taille inférieure à la section d’un cheveu humain, grâce à la technologie des « cristaux photoniques ». Dans ces structures, la lumière est diffusée par des rangées des trous nanométriques dans une membrane très fine. La diffusion est tellement forte que la lumière y est piégée et forme des modes résonnants. La réalisation d’une telle source est longuement restée élusive car les tolérances de fabrication, exacerbées par la miniaturisation, ne permettaient pas l’alignement très précis des résonances des trois modes requis pour le fonctionnement de l’OPO. Cet alignement correspond à la condition stricte de conservation de l’énergie dans le processus de conversion des photons de la pompe en photons corrélés. TRT et le C2N ont trouvé un mécanisme permettant l’alignement systématique de ces résonances qui est basé sur un effet thermo-optique induit localement. De ce fait, il est possible d’aligner précisément des résonances à très grand facteur de qualité. Ceci, combiné au très fort confinement de la lumière, favorise grandement l’efficacité du processus, si bien qu’il suffit d’injecter quelques microwatts de pompe pour produire des faisceaux de photons corrélés.

Cette propriété est extrêmement importante car elle ouvre la voie vers l’agrégation d’un grand nombre de ces sources sur une même puce optique, permettant la réalisation de fonctions complexes.

Marty, G., Combrié, S., Raineri, F. et al. “Photonic crystal optical parametric oscillator,” Nat. Photonics 15, 53–58 (2021), https://doi.org/10.1038/s41566-020-00737-z
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