Les sources de photons uniques, technologie-clé à l’origine des ordinateurs quantiques photoniques de Quandela, seront mises en lumière par le laboratoire commun QDlight, annoncé le 14 novembre dernier au Centre de nanosciences et nanotechnologies (C2N). Cette coopération scientifique, qui durera six ans, réunit le CNRS, l’université Paris-Saclay et l’université Paris-Cité (les trois organismes de tutelle du C2N), en complément de la deeptech.
Actuellement, les sources de Quandela, fruit des recherches de la physicienne Pascale Senellart au C2N, émettent à la demande, grâce à une impulsion laser, des photons uniques et indiscernables. Dit autrement, ces photons produits à l’unité se suivent et se ressemblent en tout point – ils possèdent les mêmes caractéristiques physiques (polarisation, longueur d’onde, etc).
Formant des qubits photoniques, ils traversent ensuite un circuit photonique programmable, qui exécute des opérations de calcul via des composants optiques linéaires et classiques (interféromètres, déphaseurs, etc), avant d’être interceptés par des détecteurs servant à lire lire les résultats du calcul.
Huang Ho Photo en microscopie électronique des sources de photons uniques de Quandela. Les croix contiennent chacune en leur centre une boîte quantique capable d'émettre des photons uniques et indiscernables sur demande. Chaque cercle entourant une croix est relié à une ligne métallique pour qu'une tension de grille puisse être appliquée.
L’objectif de QDlight est la réalisation de sources capables d’émettre des grappes de photons (ou clusters), comprenant des photons intriqués les uns avec les autres. Ainsi, des photons se perdant inévitablement au cours de leur périple, l’information quantique est suffisamment redondante pour que les calculs effectués par la suite soient considérés comme fiables. Une approche déjà présentée par Quandela en octobre, à l'occasion de la divulgation de sa feuille de route.
« Ce sera indispensable pour le passage à l’échelle, menant à un ordinateur quantique tolérant aux fautes, explique Olivier Krebs, chercheur CNRS et coordinateur de QDlight pour le C2N. Si on n’a que des photons uniques traversant un circuit photonique, les opérations logiques gardent un caractère probabiliste. »
« Un ordinateur quantique universel fondé sur des photons uniques fait appel à un nouveau paradigme, le calcul quantique basé sur la mesure (une approche alternative au calcul à partir de portes logiques ndlr), poursuit-il. Une grande partie du calcul réclame au préalable la préparation d’un état quantique particulier reposant sur un grand nombre de photons intriqués, un état conçu pour résister aux erreurs.»
Boîtes quantiques et excitons
Selon Olivier Krebs, le C2N, comme d’autres labos dans le monde, a commencé à développer un savoir-faire pour créer ces photons intriqués. « L’un des axes de recherche de QDlight est de progresser dans ce domaine, dit-il. On espère obtenir des grappes de 15 photons intriqués par source d’ici à trois ans. »
Pour cela, ce laboratoire commun va explorer l’intrication de ces photons avec le spin d’une charge électrique contenue dans une boîte quantique (quantum dot). Mesurant une vingtaine de nanomètres de diamètre, une boîte quantique est un atome dit artificiel, « un million d’atomes qui adoptent collectivement un comportement avec deux niveaux d’énergie, fondamental et excité », précise Olivier Krebs.
Ces boîtes quantiques, composées de semi-conducteurs III-V réputés pour leurs propriétés optiques, sont au cœur des sources photoniques de Quandela. « Grâce à une méthode bien connue depuis les années 90, on sait fait croître une boîte quantique d’arséniure d’indium (InAs) dans une matrice d’arséniure de gallium (GaAs), détaille Olivier Krebs. Piégé dans une boîte quantique, un exciton, c’est-à-dire une paire électron-trou (produite par un photon de l’impulsion laser, ndlr), peut ensuite émettre un photon. La grande avancée de Pascale Senellart, c’est d’avoir élaboré une cavité optique favorisant une direction, de manière à pouvoir collecter une grande majorité des photons émis, tout en excluant les photons provenant de l’impulsion laser. »
Niccolo Somaschi Vue d'artiste du principe d'intrication des photons avec un spin dans la boîte quantique
La structure en question offre une brillance de 50%, c’est-à-dire qu’un photon sur deux bénéficie des caractéristiques physiques désirées. L’efficacité de ces sources photoniques constitue le principal avantage de la deeptech française sur ses concurrents, oeuvrant également dans le calcul quantique photonique.
L’idée, désormais, est d’implanter un spin dans cette boîte quantique pour l’intriquer avec le spin du photon émis, celui-ci étant équivalent au sens de sa polarisation circulaire. « On peut intriquer ces photons avec le spin d’un électron, mais ce dernier présente un temps de cohérence très court, commente Oliver Krebs. L’autre piste est d’utiliser un spin de trou, dont le temps de cohérence est dix fois plus long. »
Ce spin de trou interviendrait dans le processus d’excitation. « Ce spin de trou, présent dans la bande de valence (état fondamental) et la bande de conduction (état excité), s’intriquerait à chaque fois avec le photon émis, indique Olivier Krebs. Il agirait comme une mémoire quantique, faisant que les photons émis successivement sont intriqués. »
Améliorer la fabrication des sources
Stabiliser cette charge électrique requiert d’ajuster le dopage dans la jonction P/N (dopée positif/négatif), qui entoure la boîte quantique, ainsi que la tension de grille appliquée.
Le laboratoire commun QDlight étudiera aussi une autre piste pour intriquer ces photons : la boucle temporelle, un dispositif qui pourrait stocker des photons, le temps qu’ils s’intriquent selon une certaine probabilité avec une nouveau photon entrant dans la boucle.
Outre cet axe de recherche nommé « optique », QDlight comporte un axe « croissance». L’objectif est d’augmenter la pureté des matériaux impliqués pour « accroître la reproductibilité de fabrication des dispositifs photoniques », dixit le communiqué du CNRS.
« La finalité est que les photons émis par des sources différentes soient perçus comme s’ils provenaient d’une source unique », résume Olivier Krebs. Un enjeu important pour Quandela : c'est un moyen de multiplier le nombre de qubits de ses futures machines, la plus puissante n’en comptant actuellement que douze.
