La sécurisation des communications numériques et l’optimisation des technologies de l’information sont des enjeux majeurs à l’ère du numérique. La photonique quantique offre des solutions prometteuses par son potentiel de développement de systèmes de cryptographie inviolables et de calculs ultrarapides. Une récente étude menée par des chercheurs de l’Université hébraïque de Jérusalem, du Laboratoire national de Los Alamos et de l’Université d’Ulm a permis un progrès significatif dans ce domaine : l’intégration réussie de sources de photons uniques sur des puces à température ambiante. Une étape essentielle pour l’avènement de dispositifs photoniques quantiques pratiques et accessibles.
L’innovation majeure présentée dans l’étude, disponible dans la revue Nano Letters, réside dans la conception d’une antenne hybride métal-diélectrique en forme de cible qui permet d’améliorer significativement la manière dont les photons sont manipulés et dirigés au niveau quantique. L’antenne permet notamment une « excitation arrière » des photons, une technique permettant d’émettre les photons directement vers l’avant, optimisant ainsi leur collecte. Les travaux ont été dirigés par le doctorant Boaz Lubotzky et le professeur Ronen Rapaport de l’Université hébraïque de Jérusalem.
En plaçant l’émetteur de photons — soit des points quantiques colloïdaux, soit des nanodiamants avec un cœur en silicium, tous deux étant d’excellents émetteurs de photons uniques, même à température ambiante — dans une cavité de dimension inférieure à la longueur d’onde située au centre de l’antenne, les chercheurs ont créé un système au sein duquel les photons sont non seulement générés efficacement, mais aussi dirigés avec précision vers l’avant. Cette méthode de couplage frontal est particulièrement efficace, car elle permet de diriger les photons soit vers des optiques à faible ouverture numérique, soit directement dans une fibre optique sans perte significative de signal.
Cette capacité à contrôler la direction et l’efficacité de l’émission des photons a des implications profondes notamment pour l’intégration des technologies quantiques dans des dispositifs pratiques. Les dispositifs testés ont montré une efficacité de collecte frontale impressionnante d’environ 70 % en moyenne, même avec des ouvertures numériques faibles. Cette performance élevée signifie que la majorité des photons émis peuvent être capturés et utilisés. En simplifiant la manière dont les sources de lumière quantique peuvent être intégrées dans des dispositifs, cette avancée réduit les obstacles techniques et accélère le développement de nouvelles technologies basées sur la photonique quantique.
Applications cryptographiques
L’aboutissement de cette recherche, permettant l’intégration de sources de photons uniques à température ambiante sur des puces compactes, pourrait aboutir à des applications directes en cryptographie quantique. Cette technologie offre la possibilité de créer des systèmes de communication pratiquement inviolables en exploitant les propriétés uniques de la mécanique quantique pour sécuriser les échanges d’informations.
Dans un monde où la sécurité des données devient de plus en plus critique, cette avancée représente une solution prometteuse pour protéger les communications contre les cyberattaques, et ce probablement aussi, dans le futur, dans le cas des ordinateurs quantiques, qui devraient mettre à mal les systèmes de chiffrement actuels. De plus, l’efficacité accrue dans la détection des photons ouvre la voie à des améliorations significatives dans les technologies de détection, allant des capteurs médicaux ultra-sensibles à la surveillance environnementale de précision, en passant par les systèmes de navigation.
Au-delà des implications immédiates pour la sécurité et la détection, cette intégration réussie simplifie considérablement le processus de développement et de fabrication des dispositifs photoniques quantiques. En rendant ces technologies moins coûteuses à produire, les chercheurs ouvrent la voie à une multitude d’applications commerciales. Lubotzky explique l’importance de cette réalisation dans un communiqué fourni par l’Université hébraïque de Jérusalem : « En surmontant les principaux défis associés à l’intégration sur puce de sources de photons uniques, nous avons ouvert de nouvelles possibilités passionnantes pour le développement de technologies quantiques avancées ».