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Article du 31 juillet 2023

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

La mémoire quantique qui dépend de l’intégration de bandes quantiques est un élément clé utilisé pour développer des réseaux quantiques compatibles avec les infrastructures de communication par fibre optique. Les ingénieurs quantiques et les informaticiens doivent encore créer un tel réseau de grande capacité pour former une mémoire quantique photonique multimode intégrée sur la bande des télécommunications.

Dans un nouveau rapport paru dans Science Advances, Xueying Zhang et une équipe de recherche en sciences électroniques, en physique et en technologies de l'information ont décrit le stockage multimode intégré par fibre d'un photon unique sur une bande de télécommunications sur une puce écrite au laser.

Le dispositif de stockage constitué de niobate de lithium dopé à l'erbium (Er3+) (Er3+ : LiNbO3) et à fibre amorce, présentait un système de mémoire intégré à des composants sur puce intégrés à la fibre de bande de télécommunications. Les résultats de l’étude mettent en évidence une voie à suivre pour la création de futurs réseaux quantiques, basés sur des dispositifs photoniques intégrés.

Les états quantiques de la lumière peuvent être cartographiés de manière réversible sur la matière pour créer des mémoires quantiques photoniques, idéales pour la communication quantique longue distance sur des réseaux quantiques distribués.

Les physiciens ont intégré des dispositifs de mémoire quantique photonique basés sur des guides d'ondes optiques avec d'autres dispositifs quantiques intégrés tels que des sources de lumière quantique, des circuits photoniques et des détecteurs à photons uniques pour concevoir des architectures quantiques multifonctionnelles interconnectées. Dans ce travail, Zhang et al. développé un dispositif de stockage multimode intégré à la bande de télécommunications dans un guide d'ondes à base de niobate de lithium.

Ils ont conçu le guide d'ondes écrit au laser avec un micro-usinage laser femtoseconde directement couplé à une fibre amorce monomode en utilisant un collimateur optique de chaque côté de l'installation pour faciliter la compatibilité avec le système de communication par fibre.

L’équipe a développé un système de mémoire quantique sur puce utilisant un protocole de peigne de fréquence atomique. L'intégration d'un peigne de fréquence atomique de 4 GHz a permis à l'équipe de réaliser expérimentalement un système de stockage quantique multimode, ouvrant la voie à la formation de réseaux quantiques intégrés avec une mémoire compatible avec l'infrastructure de communication par fibre.

Zhang et coll. a conçu un dispositif de stockage utilisant un guide d'onde de type III fabriqué dans une tranche de cristal de niobate de lithium dopé à l'erbium en utilisant le micro-usinage au laser femtoseconde.

Le cristal massif du matériau maintenait une concentration d’ions dopants à un pourcentage infime et permettait le couplage entre des guides d’ondes écrits au laser et des fibres monomodes. Les scientifiques ont collé le cristal de niobate de lithium dopé sur un dissipateur thermique en cuivre avec deux collimateurs optiques dotés de tresses de fibre monomode.

Ils ont placé le dispositif intégré à la fibre dans un réfrigérateur à dilution et ont observé une fréquence de transmission optique totale de 26 % dans l'ensemble de l'installation cryogénique.

Les expériences de stockage multimode consistaient à générer des photons uniques pour préparer la mémoire quantique et le système de mesure basés sur un peigne de fréquence atomique. L’équipe a généré des paires de photons corrélées en mettant en cascade des processus de génération de deuxième harmonique et de conversion paramétrique spontanée dans le module de guide d’ondes en niobate de lithium pompé par une série d’impulsions lumineuses.

Pour le stockage monomode, l’équipe a utilisé une impulsion laser unique d’une durée de 300 picosecondes. Les scientifiques ont détecté des photons dans la configuration via des détecteurs monophotoniques à nanofils supraconducteurs. Zhang et coll. analysé les signaux de détection de cet instrument en utilisant un convertisseur temps-numérique.