Méthode permettant d’activer des circuits optiques quantiques utilisant des photons – annonce un nouvel avenir pour la communication sécurisée et l’informatique quantique –

  • FrançaisFrançais



  • Le monde moderne est alimenté par des circuits électriques sur une «puce» – la puce semi-conductrice qui sous-tend les ordinateurs, les téléphones portables, Internet et d’autres applications. En 2025, les humains devraient créer 175 zettaoctets (175 trillions de gigaoctets) de nouvelles données. Comment garantir la sécurité des données sensibles à un volume aussi élevé? Et comment pouvons-nous résoudre des problèmes de grande envergure, de la confidentialité et de la sécurité au changement climatique, en exploitant ces données, en particulier compte tenu de la capacité limitée des ordinateurs actuels?

    Les technologies de communication et de calcul quantiques émergentes constituent une alternative prometteuse. Pour que cela se produise, cependant, il faudra le développement généralisé de nouveaux circuits optiques quantiques puissants; des circuits capables de traiter en toute sécurité les énormes quantités d’informations que nous générons chaque jour. Des chercheurs du département de génie chimique et de science des matériaux de la famille Mork de l’USC ont fait une percée pour aider à activer cette technologie.

    Alors qu’un circuit électrique traditionnel est un chemin le long duquel les électrons d’une charge électrique circulent, un circuit optique quantique utilise des sources de lumière qui génèrent des particules de lumière individuelles, ou des photons, à la demande, un par un, agissant comme des bits porteurs d’informations. (bits quantiques ou qubits). Ces sources de lumière sont des «points quantiques» de semi-conducteurs de taille nanométrique – de minuscules collections fabriquées de dizaines de milliers à un million d’atomes emballés dans un volume de taille linéaire inférieure à un millième de l’épaisseur de cheveux humains typiques enterrés dans une matrice d’un autre semi-conducteur approprié .

    Jusqu’à présent, ils se sont avérés être les générateurs de photons uniques à la demande les plus polyvalents. Le circuit optique nécessite que ces sources de photons uniques soient disposées sur une puce semi-conductrice selon un motif régulier. Des photons de longueur d’onde presque identique provenant des sources doivent alors être libérés dans une direction guidée. Cela leur permet d’être manipulés pour former des interactions avec d’autres photons et particules pour transmettre et traiter des informations.

    Jusqu’à présent, il y avait un obstacle important au développement de tels circuits. Par exemple, dans les techniques de fabrication actuelles, les points quantiques ont différentes tailles et formes et s’assemblent sur la puce à des emplacements aléatoires. Le fait que les points aient des tailles et des formes différentes signifie que les photons qu’ils libèrent n’ont pas de longueurs d’onde uniformes. Ceci et le manque d’ordre de position les rendent impropres à une utilisation dans le développement de circuits optiques.

    Dans des travaux récemment publiés, des chercheurs de l’USC ont montré que des photons uniques peuvent en effet être émis de manière uniforme à partir de points quantiques disposés selon un modèle précis. Il convient de noter que la méthode d’alignement des points quantiques a été développée pour la première fois à l’USC par le chercheur principal, le professeur Anupam Madhukar, et son équipe il y a près de trente ans, bien avant l’activité de recherche explosive actuelle dans l’information quantique et l’intérêt pour les -photon sources. Dans ce dernier travail, l’équipe de l’USC a utilisé de telles méthodes pour créer des points quantiques uniques, avec leurs remarquables caractéristiques d’émission de photons uniques. On s’attend à ce que la capacité d’aligner avec précision des points quantiques à émission uniforme permette la production de circuits optiques, ce qui pourrait conduire à de nouvelles avancées dans les technologies de l’informatique quantique et des communications.

    Le travail, publié dans Photonique APL, était dirigée par Jiefei Zhang, actuellement professeur adjoint de recherche au Département de génie chimique et science des matériaux de la famille Mork, avec l’auteur correspondant Anupam Madhukar, le professeur Kenneth T.Norris en génie et professeur de génie chimique, génie électrique, science des matériaux et La physique.

    “Cette percée ouvre la voie aux prochaines étapes nécessaires pour passer de la démonstration en laboratoire de la physique des photons uniques à la fabrication à l’échelle de la puce de circuits photoniques quantiques”, a déclaré Zhang. “Cela a des applications potentielles dans la communication quantique (sécurisée), l’imagerie, la détection et les simulations et calculs quantiques.”

    Madhukar a déclaré qu’il est essentiel que les points quantiques soient ordonnés de manière précise afin que les photons libérés par deux ou plusieurs points puissent être manipulés pour se connecter les uns aux autres sur la puce. Cela constituera la base de l’unité de construction pour les circuits optiques quantiques.

    “Si la source d’où proviennent les photons est située au hasard, cela ne peut pas se produire.” Dit Madhukar.

    “La technologie actuelle qui nous permet de communiquer en ligne, par exemple en utilisant une plate-forme technologique telle que Zoom, est basée sur la puce électronique intégrée au silicium. Si les transistors de cette puce ne sont pas placés à des emplacements précis, il n’y aurait pas circuit électrique », a déclaré Madhukar. “C’est la même exigence pour les sources de photons telles que les points quantiques pour créer des circuits optiques quantiques.”

    La recherche est soutenue par le Bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air (AFOSR) et le Bureau de recherche de l’armée américaine (ARO).

    “Cette avancée est un exemple important de la façon dont la résolution des défis fondamentaux de la science des matériaux, comme la création de points quantiques avec une position et une composition précises, peut avoir de grandes implications en aval pour des technologies comme l’informatique quantique”, a déclaré Evan Runnerstrom, directeur de programme, Army Research Office, un élément du laboratoire de recherche de l’armée du Commandement de développement des capacités de combat de l’armée américaine. «Cela montre comment les investissements ciblés de l’ARO dans la recherche fondamentale soutiennent les efforts de modernisation durables de l’armée dans des domaines comme le réseautage.

    Pour créer la disposition précise des points quantiques pour les circuits, l’équipe a utilisé une méthode appelée SESRE (épitaxie réductrice de taille codée par substrat) développée dans le groupe Madhukar au début des années 1990. Dans le travail actuel, l’équipe a fabriqué des tableaux réguliers de mesas de taille nanométrique avec une orientation de bord, une forme (parois latérales) et une profondeur définies sur un substrat semi-conducteur plat, composé d’arséniure de gallium (GaAs). Des points quantiques sont ensuite créés au-dessus des mesas en ajoutant des atomes appropriés en utilisant la technique suivante.

    Premièrement, les atomes de gallium (Ga) entrants se rassemblent au sommet des mesas à l’échelle nanométrique attirés par les forces d’énergie de surface, où ils déposent du GaAs. Ensuite, le flux entrant est commuté sur des atomes d’indium (In), pour déposer à son tour de l’arséniure d’indium (InAs) suivi d’atomes de Ga pour former du GaAs et ainsi créer les points quantiques individuels souhaités qui finissent par libérer des photons uniques. Pour être utile pour créer des circuits optiques, l’espace entre les nano-mesas en forme de pyramide doit être rempli par un matériau qui aplatit la surface. La puce finale où GaAs opaque est représentée comme une couche de recouvrement translucide sous laquelle se trouvent les points quantiques.

    “Ce travail établit également un nouveau record mondial de points quantiques ordonnés et évolutifs en termes de pureté simultanée d’émission de photons uniques supérieure à 99,5% et en termes d’uniformité de la longueur d’onde des photons émis, qui peut être aussi étroit à 1,8 nm, ce qui est un facteur de 20 à 40 mieux que les points quantiques typiques », a déclaré Zhang.

    Zhang a déclaré qu’avec cette uniformité, il devient possible d’appliquer des méthodes établies telles que le chauffage local ou les champs électriques pour affiner les longueurs d’onde des photons des points quantiques afin qu’elles correspondent exactement les unes aux autres, ce qui est nécessaire pour créer les interconnexions requises entre les différents points quantiques. pour les circuits.

    Cela signifie que pour la première fois, les chercheurs peuvent créer des puces photoniques quantiques évolutives en utilisant des techniques de traitement de semi-conducteurs bien établies. En outre, les efforts de l’équipe se concentrent désormais sur l’établissement de la similitude des photons émis à partir du même et / ou de différents points quantiques. Le degré d’indiscernabilité est au cœur des effets quantiques des interférences et de l’intrication, qui sous-tendent le traitement de l’information quantique – communication, détection, imagerie ou informatique.

    Zhang a conclu: «Nous avons maintenant une approche et une plate-forme matérielle pour fournir des sources évolutives et ordonnées générant des photons uniques potentiellement indiscernables pour les applications d’information quantique. L’approche est générale et peut être utilisée pour d’autres combinaisons de matériaux appropriées pour créer des points quantiques émettant sur un large gamme de longueurs d’onde préférée pour différentes applications, par exemple la communication optique à base de fibre ou le régime infrarouge moyen, adapté à la surveillance environnementale et au diagnostic médical », a déclaré Zhang.

    Gernot S. Pomrenke, chargé de programme AFOSR, optoélectronique et photonique, a déclaré que les réseaux fiables de sources de photons uniques à la demande sur puce constituaient un grand pas en avant.

    «Cette croissance impressionnante et ce travail de science des matériaux s’étendent sur trois décennies d’efforts dédiés avant que les activités de recherche en information quantique ne soient dans le courant dominant», a déclaré Pomrenke. << Le financement initial de l'AFOSR et les ressources d'autres agences du DoD ont été essentiels pour réaliser le travail et la vision stimulants de Madhukar, de ses étudiants et de ses collaborateurs. Il est fort probable que ce travail révolutionne les capacités des centres de données, des diagnostics médicaux, de la défense et technologies connexes. "

    N'oubliez pas de voter pour cet article !
    1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (No Ratings Yet)
    Loading...

    Houssen Moshinaly

    Rédacteur web depuis 2009 et webmestre depuis 2011.

    Je m'intéresse à tous les sujets comme la politique, la culture, la géopolitique, l'économie ou la technologie. Toute information permettant d'éclairer mon esprit et donc, le vôtre, dans un monde obscur et à la dérive.

    Je suis l'auteur de plusieurs livre

    Pour me contacter personnellement :

    Laisser un commentaire

    Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.