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Publié le 6 janvier 2021

Nanosource de lumière pour les technologies quantiques

Des équipes de Thales et du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N /CNRS / UPSaclay / UParis) ont développé une nouvelle source de lumière miniaturisée appelée Oscillateur Paramétrique Optique à Cristal Photonique.

Un oscillateur paramétrique optique (OPO) est similaire à un laser générant de la lumière cohérente, à savoir des photons ayant la même fréquence, direction et polarisation, sauf qu'ici les photons sont émis par paires. Ces photons sont dits corrélés, signifiant que les fluctuations des propriétés physiques (par exemple en fréquence) observées sur chacun des 2 photons sont interdépendantes.
Cette caractéristique peut être exploitée de plusieurs manières, notamment pour diminuer le bruit de mesures sensibles (détection quantique), pour coder et crypter de l’information (communication quantique) mais aussi pour effectuer des calculs.
Les oscillateurs paramétriques optiques étaient, dans le passé, encombrants et coûteux et ne pouvaient en aucun cas être intégrés sur une "puce photonique". Ces objets ont été récemment miniaturisés à l'aide de résonateurs optiques où la lumière circule à l'intérieur de minuscules anneaux ou disques. Cette miniaturisation s’accompagne aussi d’une réduction de la puissance optique nécessaire à leur fonctionnement.
Nos dispositifs sont plus petits que la section d’un cheveu humain! Thales et le C2N ont réussi à réduire encore plus la taille et la consommation d’énergie de ces sources en utilisant un concept radicalement différent pour piéger la lumière dans des matériaux semiconducteurs, appelé « Cristal photonique ». Dans ces objets structurés à l’échelle de la longueur d’onde de la lumière, la lumière se réfléchie un grand nombre de fois sur des trous nanométriques percés dans de fines membranes de matériaux. La très forte augmentation des interactions lumière-matière ainsi obtenue résulte en une génération de photons super efficace.
Parce que ces OPOS sont si petits et consomment une si faible quantité d’énergie, un grand nombre de ces dispositifs peut être implémenté sur une unique puce photonique et être utilisé pour générer des états non classiques de la lumière pour créer un véritable circuit photonique quantique.

References

Marty, G., Combrié, S., Raineri, F. et al. 

Nat. Photonics 15, 53–58 (2021),

DOI : doi.org/10.1038/s41566-020-00737-z

Figure: a) Principe d’un oscillateur paramétrique optique triplement résonnant. b) Potentiel parabolique de confinement des photons à l’œuvre dans notre cavité à cristaux photoniques. c) Caractérisation optique de notre OPO à cristaux photoniques. d) Image prise au microscope électronique à balayage de la membrane à cristaux photoniques.