Nouvelles

Oct 28, 2023

Nouveau tout

Les technologies quantiques promettent de révolutionner la société en permettant des

Les technologies quantiques promettent de révolutionner la société en permettant des méthodes radicalement nouvelles de communication, de détection et de calcul. C'est un monde de possibilités que la science, à bien des égards, ne fait que commencer à esquisser.

La cryptographie quantique, si elle pouvait être réalisée, par exemple, fournirait des niveaux inégalés de sécurité des données contre les pirates malveillants. En effet, les informations quantiques peuvent être codées dans des photons - des particules de lumière uniques - qui ne peuvent être ni copiées ni mesurées. Les intrus seraient immédiatement démasqués.

Cependant, l'un des principaux obstacles à la cryptographie quantique que les scientifiques doivent d'abord surmonter est la capacité de créer des photons de manière à alimenter de manière fiable des réseaux quantiques ou un Internet quantique.

Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par Boubacar Kanté, professeur agrégé Chenming Hu au département de génie électrique et d'informatique de l'UC Berkeley et chercheur à la division des sciences des matériaux du laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), a démontré le premier à la demande source de lumière quantique utilisant du silicium. Kanté affirme que le silicium - le matériau sur lequel des millions de minuscules appareils électroniques sont fabriqués chaque jour - est le matériau optoélectronique le plus "évolutif" connu.

Leurs recherches ont été publiées aujourd'hui dans Nature Communications.

"La possibilité d'utiliser le silicium comme source de lumière quantique signifie que les processus actuels de fabrication de puces CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) à grande échelle au cœur des dispositifs optoélectroniques et d'intelligence artificielle (IA) actuels peuvent être directement utilisés pour les futurs systèmes quantiques. ", a déclaré Kanté.

Depuis la fin des années 1970, de nombreux dispositifs quantiques prometteurs à émission de photon unique pour la cryptographie quantique ont été démontrés. Ils comprennent des objets exotiques de la science des matériaux tels que les points quantiques, les centres de couleur dans les matériaux à large bande interdite, les cristaux non linéaires et les cellules à vapeur atomique.

Malgré des décennies d'enquête, cependant, il n'y a pas de gagnant clair pour une source de lumière quantique qui alimenterait un Internet quantique.

Un Internet quantique à grande échelle, a expliqué Kanté, nécessiterait non seulement une source de lumière quantique brillante et efficace, mais également des photons pouvant se propager dans les fibres optiques existantes sans être absorbés. Aucune source de lumière disponible aujourd'hui ne peut atteindre cette barre haute. Tous nécessitent une conversion d'énergie pour l'intégration avec des plates-formes compatibles CMOS, comme ce qui se passe aujourd'hui avec les sources lumineuses "classiques" intégrées.

Mais le défi d'intégrer des dispositifs quantiques avec des plates-formes compatibles CMOS est encore plus important que pour les systèmes classiques, a déclaré Kanté. En effet, chaque interface permet des pertes de lumière quantique qui doivent être minimisées.

La source de lumière quantique au silicium à la demande développée par l'équipe UC Berkeley/Berkeley Lab est le premier travail expérimental démontrant l'intégration d'un seul centre émissif atomique en silicium, connu sous le nom de centre G, directement dans une cavité nanophotonique en silicium, a expliqué Kanté.

"Dans ce travail, nous avons réussi pour la première fois à intégrer un défaut atomique dans le silicium de la taille des atomes (1 angström) dans une cavité photonique en silicium (1 micron) de la taille de moins d'un dixième d'un cheveu humain. La cavité force l'atome à être plus brillant, et il émet des photons à un rythme plus rapide. Ce sont des ingrédients nécessaires pour des sources de lumière quantique évolutives pour le futur Internet [quantique] », a-t-il déclaré.

La fabrication réussie des émetteurs à photon unique implique une séquence de fabrication contrôlée, en commençant par une plaquette de silicium de qualité commerciale qui est implantée en carbone. L'implantation est suivie d'une lithographie, d'une gravure et d'un recuit thermique - tous les processus standard disponibles dans les fonderies de semi-conducteurs d'aujourd'hui.

Le défi, a déclaré Kanté, résidait dans la création de centres émissifs atomiques et dans le contrôle de leur densité et de leur distribution pour un chevauchement réussi avec les cavités optiques. L'équipe a surmonté certains des principaux défis, mais des améliorations sont nécessaires et de nombreuses questions restent sans réponse.

De gauche à droite : Boubacar Kanté, Christos Papapanos, Kaushalya Jhuria, Walid Redjem, Thomas Schenkel, Wayesh Qarony, Vsevolod Ivanov, Yertay Zhiyenbayev, Wei Liu, Liang Tan, Prabin Parajuli et Scott Dhuey à la fonderie moléculaire du Lawrence Berkeley National Laboratory. (Photo du laboratoire de Berkeley)

"Nous avons découvert que lors de la création des centres émissifs uniques, le processus de recuit crée des fluctuations dans les propriétés quantiques, et nous comprenons maintenant les paramètres critiques qui contrôlent ces propriétés", a déclaré Thomas Schenkel, chercheur au Berkeley Lab.

L'utilisation du silicium a été quelque peu contre-intuitive, a déclaré Walid Redjem, chercheur postdoctoral dans le groupe de Kante. "Le silicium est ce que vous appelez un semi-conducteur à bande interdite indirecte. Cela signifie qu'il n'est pas favorable à l'émission de lumière. Par exemple, il n'y a pas de laser efficace utilisant du silicium."

Mais il s'avère que la réalité ne s'applique qu'aux sources lumineuses classiques. "Ce n'est pas un problème pour les sources de lumière quantique", a déclaré Kanté. Lui et son équipe travaillent déjà dur pour affiner leur source de lumière quantique tout en silicium.

L'étude a été dirigée par Redjem, le chercheur postdoctoral Wayesh Qarony et Yertay Zhiyenbayev, un doctorat de troisième année. étudiant dans le groupe de Kanté. Les autres co-auteurs incluent Schenkel, Vsevolod Ivanov, Christos Papapanos, Wei Liu, Kaushalya Jhuria, Zakaria Al Balushi, Scott Dhuey, Adam Schwartzberg et Liang Tan.

La National Science Foundation et le ministère de l'Énergie ont fourni le principal soutien à l'étude. Un financement supplémentaire est venu de l'Office of Naval Research, du programme Moore Inventor Fellows et de la bourse Bakar de l'UC Berkeley.