Des chercheurs du laboratoire de Qiang Lin à l’Université de Rochester ont généré une bande passante « ultra large bande » record de photons intriqués à l’aide du dispositif nanophotonique à couche mince illustré ici. En haut à gauche, un faisceau laser pénètre dans un guide d’ondes de niobate de lithium à couches minces périodiquement polarisé (bandes vertes et grises). Les photons intriqués (points violets et rouges) sont générés avec une bande passante supérieure à 800 nanomètres. Crédit : Illustration par Usman Javid et Michael Osadciw
Un dispositif nanophotonique à couche mince pourrait faire progresser la métrologie, la détection et les réseaux quantiques.
Les ingénieurs ont atteint une bande passante et une luminosité sans précédent sur des dispositifs nanophotoniques de la taille d’une puce.
L’intrication quantique – ou ce qu’Albert Einstein appelait autrefois “action effrayante à distance”– se produit lorsque deux particules quantiques sont connectées l’une à l’autre, même à des millions de kilomètres l’une de l’autre. Toute observation d’une particule affecte l’autre comme si elles communiquaient entre elles. Lorsque cet intrication fait intervenir des photons, des possibilités intéressantes émergent, notamment l’intrication des fréquences des photons dont la bande passante peut être contrôlée.
Des chercheurs de l’Université de Rochester ont profité de ce phénomène pour générer une bande passante incroyablement large en utilisant un dispositif nanophotonique à couche mince qu’ils décrivent dans Lettres d’examen physique.
La percée pourrait conduire à :
- Sensibilité et résolution améliorées pour les expériences de métrologie et de détection, y compris la spectroscopie, la microscopie non linéaire et la tomographie par cohérence optique quantique
- Codage dimensionnel supérieur de l’information dans les réseaux quantiques pour le traitement de l’information et les communications
“Ce travail représente un grand pas en avant dans la production d’intrication quantique à ultra-large bande sur une puce nanophotonique”, a déclaré Qiang Lin, professeur de génie électrique et informatique. “Et cela démontre la puissance de la nanotechnologie pour développer de futurs dispositifs quantiques pour la communication, l’informatique et la détection”,
Plus de compromis entre la bande passante et la luminosité
À ce jour, la plupart des dispositifs utilisés pour générer un enchevêtrement de lumière à large bande ont eu recours à la division d’un cristal massif en petites sections, chacune avec des propriétés optiques légèrement variables et chacune générant des fréquences différentes des paires de photons. Les fréquences sont ensuite additionnées pour donner une bande passante plus large.
“Ceci est assez inefficace et se traduit par une luminosité et une pureté réduites des photons”, explique l’auteur principal Usman Javid, doctorant au laboratoire de Lin. Dans ces appareils, « il y aura toujours un compromis entre la bande passante et la luminosité des paires de photons générées, et il faut faire un choix entre les deux. Nous avons complètement contourné ce compromis avec notre technique d’ingénierie de dispersion pour obtenir les deux : une bande passante record pour une luminosité record.
Le dispositif nanophotonique au niobate de lithium à couche mince créé par le laboratoire de Lin utilise un seul guide d’ondes avec des électrodes des deux côtés. Alors qu’un dispositif en vrac peut mesurer des millimètres de diamètre, le dispositif à couche mince a une épaisseur de 600 nanomètres, soit plus d’un million de fois plus petite dans sa section transversale qu’un cristal en vrac, selon Javid. Cela rend la propagation de la lumière extrêmement sensible aux dimensions du guide d’onde.
En effet, même une variation de quelques nanomètres peut provoquer des changements importants de la phase et de la vitesse de groupe de la lumière se propageant à travers elle. En conséquence, le dispositif à couche mince des chercheurs permet un contrôle précis de la bande passante dans laquelle le processus de génération de paires est adapté à la quantité de mouvement. « Nous pouvons ensuite résoudre un problème d’optimisation des paramètres pour trouver la géométrie qui maximise cette bande passante », explique Javid.
L’appareil est prêt à être déployé dans des expériences, mais uniquement en laboratoire, dit Javid. Afin d’être utilisé commercialement, un procédé de fabrication plus efficace et plus rentable est nécessaire. Et bien que le niobate de lithium soit un matériau important pour les technologies basées sur la lumière, la fabrication du niobate de lithium est «encore à ses balbutiements, et il faudra un certain temps pour mûrir suffisamment pour avoir un sens financier», dit-il.
Référence : « Ultrabroadband Entangled Photons on a Nanophotonic Chip » par Usman A. Javid, Jingwei Ling, Jeremy Staffa, Mingxiao Li, Yang He et Qiang Lin, 20 septembre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.183601
Les autres collaborateurs incluent les coauteurs Jingwei Ling, Mingxiao Li et Yang He du Département de génie électrique et informatique, et Jeremy Staffa de l’Institut d’optique, qui sont tous des étudiants diplômés. Yang He est chercheur postdoctoral.
La National Science Foundation, la Defense Threat Reduction Agency et la Defense Advanced Research Projects Agency ont contribué au financement de la recherche.
