Les micro-anneaux en carbure de silicium développés par le laboratoire Vučković, vus au microscope électronique à balayage dans les installations partagées de Stanford Nano. Crédit : Vučković Lab
Les micropeignes de fréquence sont des sources lumineuses spécialisées qui peuvent fonctionner comme des horloges, des règles et des capteurs basés sur la lumière pour mesurer le temps, la distance et la composition moléculaire avec une grande précision. La nouvelle recherche de Stanford présente un nouvel outil pour étudier les caractéristiques quantiques de ces sources.
Contrairement au fouillis de fréquences produites par la lumière qui nous entoure dans la vie quotidienne, chaque fréquence de lumière dans une source lumineuse spécialisée connue sous le nom de peigne de fréquence « soliton » oscille à l’unisson, générant des impulsions solitaires avec une synchronisation cohérente.
Chaque « dent » du peigne est une couleur de lumière différente, espacée si précisément que ce système est utilisé pour mesurer toutes sortes de phénomènes et de caractéristiques. Les versions miniaturisées de ces peignes – appelées micropeignes – qui sont actuellement en développement ont le potentiel d’améliorer d’innombrables technologies, notamment les systèmes GPS, les télécommunications, les véhicules autonomes, le suivi des gaz à effet de serre, l’autonomie des engins spatiaux et le chronométrage ultra-précis.
Le laboratoire de l’ingénieur électricien de l’Université de Stanford, Jelena Vučković, n’a rejoint que récemment la communauté des microcombes. « De nombreux groupes ont démontré des peignes de fréquence sur puce dans une variété de matériaux, y compris récemment en carbure de silicium par notre équipe. Cependant, jusqu’à présent, les propriétés optiques quantiques des peignes de fréquence étaient insaisissables », a déclaré Vučković, professeur Jensen Huang de leadership mondial à la School of Engineering et professeur de génie électrique à Stanford. « Nous voulions tirer parti de l’expérience en optique quantique de notre groupe pour étudier les propriétés quantiques du micropeigne à solitons. »
Schéma conceptuel du peigne de fréquence et du microanneau, avec solitons, qui le produit. Le diagramme en peigne de fréquence montre à la fois les dents de lumière cohérente et la lumière quantique entre ces dents. Crédit : Vučković Lab
Alors que des micropeignes à solitons ont été fabriquées dans d’autres laboratoires, les chercheurs de Stanford sont parmi les premiers à étudier les propriétés optiques quantiques du système, en utilisant un processus qu’ils décrivent dans un article publié le 16 décembre 2021 dans Photonique de la Nature. Lorsqu’ils sont créés par paires, on pense que les solitons en micropeigne présentent un enchevêtrement – une relation entre les particules qui leur permet de s’influencer même à des distances incroyables, ce qui sous-tend notre compréhension de la physique quantique et constitue la base de toutes les technologies quantiques proposées. La plupart de la lumière «classique» que nous rencontrons quotidiennement ne présente pas d’enchevêtrement.
“C’est l’une des premières démonstrations que ce peigne de fréquence miniaturisé peut générer une lumière quantique intéressante – une lumière non classique – sur une puce”, a déclaré Kiyoul Yang, chercheur au laboratoire de photonique nanométrique et quantique de Vučković et co-auteur de l’article. . “Cela peut ouvrir une nouvelle voie vers des explorations plus larges de la lumière quantique à l’aide du peigne de fréquence et des circuits intégrés photoniques pour des expériences à grande échelle.”
Une vue rapprochée des micro-anneaux. Crédit : Vučković Lab
Prouvant l’utilité de leur outil, les chercheurs ont également fourni des preuves convaincantes de l’intrication quantique au sein du micropeigne à solitons, ce qui a été théorisé et supposé mais n’a pas encore été prouvé par des études existantes.
« J’aimerais beaucoup que les solitons deviennent utiles pour l’informatique quantique parce que c’est un système très étudié », a déclaré Melissa Guidry, étudiante diplômée au Nanoscale and Quantum Photonics Lab et co-auteur de l’article. “Nous avons beaucoup de technologie à ce stade pour générer des solitons sur des puces à faible puissance, donc ce serait excitant de pouvoir prendre cela et montrer que vous avez un enchevêtrement.”
Entre les dents
L’ancien professeur de physique de Stanford, Theodor W. Hänsch, a remporté le prix Nobel en 2005 pour ses travaux sur le développement du premier peigne de fréquence. Pour créer ce que Hänsch a étudié, il faut un équipement compliqué de la taille d’une table. Au lieu de cela, ces chercheurs ont choisi de se concentrer sur la nouvelle version «micro», où toutes les parties du système sont intégrées dans un seul appareil et conçues pour s’adapter à une micropuce. Cette conception permet d’économiser sur le coût, la taille et l’énergie.
Pour créer leur peigne miniature, les chercheurs pompent de la lumière laser à travers un anneau microscopique de carbure de silicium (qui a été minutieusement conçu et fabriqué à l’aide des ressources des installations partagées de Stanford Nano et des installations de nanofabrication de Stanford). En parcourant l’anneau, le laser monte en intensité et, si tout se passe bien, un soliton est né.
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Les chercheurs (de gauche à droite) Kiyoul Yang, Melissa Guidry, Jelena Vučković et Daniil Lukin, avec Guidry tenant les micro-anneaux. Crédit : Vučković Lab
“C’est fascinant qu’au lieu d’avoir cette machine sophistiquée et compliquée, vous puissiez simplement prendre une pompe laser et un très petit cercle et produire le même type de lumière spécialisée”, a déclaré Daniil Lukin, un étudiant diplômé du Nanoscale and Quantum Photonics Lab. et co-auteur de l’article. Il a ajouté que la génération du micropeigne sur une puce permettait un large espacement entre les dents, ce qui était une étape vers la possibilité de regarder les détails les plus fins du peigne.
Les étapes suivantes impliquaient un équipement capable de détecter des particules individuelles de lumière et de garnir le micro-anneau de plusieurs solitons, créant ainsi un cristal de soliton. “Avec le cristal soliton, vous pouvez voir qu’il y a en fait de plus petites impulsions de lumière entre les dents, ce que nous mesurons pour déduire la structure d’enchevêtrement”, a expliqué Guidry. « Si vous y garez vos détecteurs, vous pouvez avoir un bon aperçu du comportement quantique intéressant sans le noyer avec la lumière cohérente qui compose les dents. »
Voyant qu’ils effectuaient certaines des premières études expérimentales sur les aspects quantiques de ce système, les chercheurs ont décidé d’essayer de confirmer un modèle théorique, appelé modèle linéarisé, qui est couramment utilisé comme raccourci pour décrire des systèmes quantiques complexes. Lorsqu’ils ont effectué la comparaison, ils ont été étonnés de constater que l’expérience correspondait très bien à la théorie. Ainsi, bien qu’ils n’aient pas encore mesuré directement que leur micropeigne présente un enchevêtrement quantique, ils ont montré que ses performances correspondent à une théorie qui implique l’intrication.
“Le message à retenir est que cela ouvre la porte aux théoriciens pour faire plus de théorie car maintenant, avec ce système, il est possible de vérifier expérimentalement ce travail”, a déclaré Lukin.
Prouver et utiliser l’intrication quantique
Les microcombes dans les centres de données pourraient augmenter la vitesse de transfert des données ; dans les satellites, ils pourraient fournir un GPS plus précis ou analyser la composition chimique d’objets lointains. L’équipe de Vučković s’intéresse particulièrement au potentiel des solitons dans certains types d’informatique quantique, car les solitons devraient être fortement intriqués dès qu’ils sont générés.
Avec leur plate-forme et la possibilité de l’étudier d’un point de vue quantique, les chercheurs du Nanoscale et du Quantum Photonics Lab gardent l’esprit ouvert sur ce qu’ils pourraient faire ensuite. Près du sommet de leur liste d’idées se trouve la possibilité d’effectuer des mesures sur leur système qui prouvent définitivement l’intrication quantique.
Référence : « Quantum optics of soliton microcombs » par Melissa A. Guidry, Daniil M. Lukin, Ki Youl Yang, Rahul Trivedi et Jelena Vučković, 16 décembre 2021, Photonique de la nature.
DOI : 10.1038 / s41566-021-00901-z
La recherche a été financée par la Defense Advanced Research Projects Agency dans le cadre des programmes PIPES et LUMOS, une bourse d’études supérieures Albion Hewlett Stanford (SGF), une bourse de recherche d’études supérieures de la NSF, la Fong SGF et la bourse d’études supérieures en sciences et ingénierie de la défense nationale.
Rahul Trivedi, anciennement de l’Université de Stanford et maintenant au Max-Planck-Institute for Quantum Optics en Allemagne, est également co-auteur. Vučković est également membre du Ginzton Lab, de Stanford Bio-X, du Wu Tsai Neurosciences Institute et des instituts PULSE et SIMES.
