Miroirs, séparateurs de faisceaux, cristaux… les dispositifs de photonique quantique, basés sur l'exploitation des propriétés quantiques des photons uniques - les particules élémentaires de la lumière - pour échanger ou traiter de l'information, s'apparentent à des installations expérimentales, montées sur banc optique. A voir ces tables débordant de lentilles réglées à la main, difficile d’imaginer que la technologie est utilisée pour développer des systèmes de communication et de calcul d’une performance inédite.
A l’interface de la recherche et de l’industrie, le CEA-Leti de Grenoble (Isère) a mis sur pied, en octobre 2020, un programme visant à miniaturiser sur puce les composants de ces installations de photonique quantique. Avec pour objectif de fournir aux entreprises de la jeune filière, d’ici à 2024, "une boîte à outils", selon les mots de Ségolène Olivier, responsable du programme.
Créer des réseaux de communication protégés par la cryptographie quantique
Cette boîte sera composée de trois briques technologiques : la génération, l’encodage et la détection de photons uniques. Le tout, sous forme de "composants intégrés sur silicium que l’on pourra associer les uns aux autres pour faire des circuits optiques intégrés", précise la docteure en optoélectronique.
Infiniment plus petits que les installations actuelles, ces dispositifs photoniques sur puce pourront être assemblés "pour fabriquer des modules transmetteurs et récepteurs pour les communications quantiques", explique Ségolène Olivier. "Les puces que nous développons sont faites pour être mises en œuvre sur le réseau de fibre optique existant, précise-t-elle. Avec l’idée que les communications quantiques et classiques coexistent sur un même réseau, car elles répondent à des besoins différents."
L’objectif à moyen terme est d’équiper certains secteurs clés, comme la banque ou la défense, de réseaux de communication protégés par les technologies de cryptographie quantiques, théoriquement inviolables. Le tout au niveau "local, national, international, voire intercontinental… sous réserve de développer des répéteurs quantiques"garantissant la sécurisation des communications sur de longues distances, estime Ségolène Olivier. A plus long terme, ces éléments pourraient même "servir à la connexion à distance de processeurs quantiques pour augmenter virtuellement leurs performances", anticipe-t-elle, faisant référence au calcul quantique décentralisé, qui permet d’associer la puissance de plusieurs ordinateurs pour une même tâche.
Une plate-forme déjà ouverte aux industriels et start-up
Les calculateurs quantiques, d’ailleurs, pourront eux aussi bénéficier des développements faits au CEA-Leti. Si l’organisme se positionne depuis quelques années sur des qubits de spin sur silicium, ses futurs dispositifs pourront supporter la création de calculateurs quantiques utilisant des photons en guise d’unités logiques. Une approche qui a déjà fait ses preuves au CNRS et en Chine, où deux équipes de recherche ont démontré un avantage quantique de cette technologie.
"La démonstration chinoise a été faite sur un banc optique impressionnant, avec des centaines de miroirs, relate Ségolène Olivier. Notre but est d’en faire une version complètement miniaturisée, sur puce et programmable [capable de réaliser des calculs différents], ce qui n’était pas le cas en Chine." Le CEA-Leti a déjà développé un outil indispensable à cet objectif : un interféromètre imbriqué, qui agit comme un interrupteur, ou un aiguillage, sur le parcours des photons.
Bonne nouvelle : cette brique technologique – comme d’autres, pour la détection et la génération de photons, qui ont donné de premiers résultats – n’attendra pas la fin du programme pour être accessible. "Nous mettons à disposition nos travaux au fur et à mesure pour démontrer des applications, argue la responsable. Notre feuille de route vise à créer des composants fonctionnels puis à les faire monter en performance pour adresser des besoins applicatifs."
Ainsi, la plateforme de photonique quantique du CEA-Leti est "déjà ouverte aux industriels et start-up", souligne la scientifique. "Nous pouvons co-développer ensemble des systèmes répondant à leurs besoins", ajoute-t-elle. Si les contacts en sont encore au stade de la discussion, nul doute que l’intérêt des industriels pour les travaux du CEA-Leti ira grandissant. Tout comme la place de l’organisme, à la frontière entre recherche et industrie, dans le développement de cette technologie.
