Points quantiques à deux photons passifs permettent la photonique sécurisée

Des ingénieurs de l’Université d’Innsbruck, aux côtés d’une équipe de scientifiques provenant de plusieurs institutions prestigieuses, ont dévoilé une nouvelle méthode pour créer des points quantiques à double état. Ces créations uniques sont capables d’atteindre un état biexcitonique sans éléments de commutation actifs (EOM), marquant une étape importante pour les technologies quantiques.

Le travail de l’équipe combine des années de recherche en optique quantique, physique des semi-conducteurs et ingénierie photonique pour ouvrir la voie aux ordinateurs quantiques et aux communications de prochaine génération. Voici ce que vous devez savoir.

Informatique quantique photonique

L’informatique quantique photonique utilise les photons de lumière pour atteindre un nouveau niveau de performance computationnelle. Ces systèmes fonctionnent en transférant les photons à travers des éléments optiques conçus sur mesure. Ces composants permettent à l’appareil de calculer des algorithmes beaucoup plus rapidement que les autres approches d’informatique quantique.

Notamment, l’entreprise de photonique Xanadu a annoncé Aurora le 22 janvier 2025 — un prototype photonique modulaire et en réseau construit à partir de quatre modules montés en rack reliés par fibre (12 qubits physiques, 35 puces, ~13 km de fibre). Il démontre une voie pratique vers la scalabilité, et non la tolérance aux fautes.

En dépit de ses meilleures performances, Aurora reste soumise à de nombreux obstacles traditionnels à l’informatique quantique, notamment les coûts élevés, les exigences techniques et le matériel spécialisé.

Source – Université d’Innsbruck

Pourquoi les points quantiques sont des sources idéales de photons uniques

Pour surmonter ces obstacles, les ingénieurs ont commencé à étudier les points quantiques. Ces semi-conducteurs peuvent fournir une génération d’états multi‑photons déterministe, ce qui en fait les blocs de construction idéaux pour les qubits dans les applications d’informatique quantique.

Notamment, les points quantiques sont des nanostructures. Ils mesurent souvent moins de 10 nanomètres, soit environ 1/10 000 de la taille d’un cheveu humain. Ces unités microscopiques peuvent posséder des caractéristiques cruciales telles que la capacité d’émettre des photons uniques à la demande, ce qui les rend idéaux pour les applications quantiques.

Pour exciter les points quantiques, les ingénieurs utilisent une méthode d’excitation optique pilotée par des modules de commutation de polarisation ultra‑rapides. Cette action produit l’état multi‑photon qui fait de ces unités des composants essentiels des dispositifs d’imagerie médicale les plus avancés, de la microscopie, des cellules solaires de nouvelle génération, des LED, des lasers, des ordinateurs quantiques, et bien plus encore.

Pourquoi le démultiplexage actif par EOM limite la scalabilité des points quantiques

L’un des plus grands problèmes des points quantiques aujourd’hui est que chaque point est unique, émettant une couleur légèrement différente. Ainsi, l’utilisation de modules high‑tech est nécessaire pour garantir la génération multi‑photon. Ces appareils sont complexes et coûteux. De plus, ils nécessitent des ingénieurs spécialisés pour les faire fonctionner.

Un autre facteur limitant est la performance matérielle de ces commutateurs. À ce jour, tous les commutateurs ont été limités par leurs caractéristiques de conception physique. Les appareils ont des vitesses de commutation maximales qui peuvent ralentir avec le temps à mesure que le matériel vieillit. Ces scénarios ont entraîné des pertes de performance indésirables et des inefficacités.

Nouvelle étude : États à deux photons démultiplexés passivement à partir d’un point quantique unique

Des scientifiques de l’Université d’Innsbruck ont collaboré avec une équipe d’ingénieurs du monde entier pour réaliser l’étude « Passive demultiplexed two-photon state generation from a quantum dot »¹ publiée ce mois‑ci dans la revue scientifique npj Quantum Information.

L’article décrit une technique de démultiplexage passif des points quantiques offrant des performances et une stabilité améliorées par rapport à ses prédécesseurs. Leur travail montre une méthode plus stable, évolutive et efficace pour produire des points quantiques haute performance, qui pourrait alimenter les technologies les plus avancées de demain.

Excitation stimulée à deux photons (sTPE) : L’idée centrale

Au cœur de ce travail se trouve une technique optique appelée excitation stimulée à deux photons. Ce processus permet aux chercheurs de dicter au point quantique exactement comment et quand émettre de la lumière, limitant l’excitation uniquement à la durée de vie du point quantique et non aux performances du matériel.

Dans le cadre du processus d’excitation, les ingénieurs ont réglé avec précision des impulsions laser pour générer des flux de photons dans différents états de polarisation. Notamment, cette méthode élimine le besoin de matériel supplémentaire tel que des composants de commutation actifs.

Notamment, cette approche crée une excitation directement à partir d’un point quantique sans nécessiter de composants de commutation actifs. La nouvelle méthode combine le façonnage d’impulsions laser, la génération de paires d’impulsions adaptées à la polarisation, et un microscope cryogénique afin d’éliminer de nombreux obstacles techniques qui entravaient les tentatives d’excitation de points quantiques précédentes.

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À l’intérieur du montage : longueurs d’onde, délais et contrôle de polarisation

La première étape du processus consiste à isoler les points quantiques. À partir de là, un laser femtoseconde Ti:Saphir est appliqué en impulsions à une résonance de 780,3 nm. Deux façonneurs d’impulsions 4f commencent le façonnage spectral des points quantiques, les poussant dans un état biexcitonique et déclenchant l’émission de photons.

Dans le cadre du processus, un séparateur de faisceau polarisant (PBS) fonctionne en tandem avec le générateur de paires d’impulsions spécialement conçu pour créer des photons polarisés H et V. Notamment, les ingénieurs ont utilisé un retardateur à fibre optique, des détecteurs et des interféromètres afin d’assurer que les différences de temps entre les états soient suivies avec précision.

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Résultats expérimentaux : Pureté, HBT et sortie à deux photons

Pour tester leur concept, l’équipe a commencé par créer des points quantiques. L’article décrit comment un échantillon de points quantiques GaAs/AlGaAs a été cultivé par épitaxie en phase moléculaire avec gravure locale de gouttelettes, première étape de leur phase de test.

À partir de là, les ingénieurs ont effectué plusieurs tests pour mesurer les performances et la qualité des points quantiques, notamment en enregistrant la pureté des photons uniques des émissions d’exciton. Ces tests ont été réalisés à l’aide d’un séparateur de faisceau à fibre et d’appareils de numérisation sensibles.

Les scientifiques ont pris des notes précises décrivant la qualité des deux photons uniques, indépendants et orthogonalement polarisés obtenus. Cette étape a nécessité que l’équipe mesure la fonction de corrélation d’ordre deux des points.

Pour accomplir cette tâche, les ingénieurs ont décidé d’utiliser un montage Hanbury Brown et Twiss (HBT). Ce test a été spécifiquement conçu pour étudier les statistiques des photons de diverses sources lumineuses.

Les résultats des tests des points quantiques à double état montrent des perspectives prometteuses pour la technologie. L’équipe a réglé l’impulsion de stimulation pour qu’elle arrive ~6 ps après l’impulsion TPE et a démontré que le taux de commutation est limité par la durée de vie de l’exciton plutôt que par le matériel EOM. Ce résultat a confirmé la conviction des ingénieurs que leur nouvelle méthode était uniquement contrainte par la durée de vie du point quantique, et non par les capacités de commutation du matériel.

Pourquoi cela importe pour le QKD et l’interférence multi‑photon

Cette étude apporte de nombreux avantages au marché. Tout d’abord, elle ouvre la porte à une compréhension plus approfondie de l’informatique quantique et de ses capacités. Cette découverte pourrait favoriser de nouvelles innovations en optique quantique, physique des semi‑conducteurs et ingénierie photonique.

Plus rapide : fonctionnement à taux GHz limité par la durée de vie de l’exciton

Cette approche crée des points quantiques utilisables plus rapidement que les méthodes traditionnelles qui nécessitent un équipement de commutation spécial à personnaliser et à régler finement. Cette stratégie excite directement les points quantiques en utilisant des lasers plutôt que de l’électronique.

Moins cher : pas d’EOM, pertes et complexité réduites

L’élimination de l’équipement de commutation précédent réduit également les coûts globaux de création des points quantiques. Le développement, l’exploitation et la maintenance de ces appareils ajoutaient tous aux coûts globaux de la recherche sur les ordinateurs quantiques.

Applications (QKD, informatique quantique photonique) et échéancier réaliste

Il existe aujourd’hui plusieurs applications pour les points quantiques à double état. Ces unités représentent un bond en avant pour les technologies quantiques. De manière enthousiaste, ce processus pourrait stimuler l’innovation dans plusieurs secteurs et favoriser l’adoption de cette technologie révolutionnaire.

Recherche : interférence multi‑photon et étalonnage des sources

L’une des principales applications de cette étude est de faire progresser l’innovation dans le secteur de l’informatique quantique. Cette dernière avancée aidera à alimenter les futures expériences d’interférence multi‑photon, approfondissant la compréhension des scientifiques des principes fondamentaux qui régissent la mécanique quantique.

Communications sécurisées : QKD multi‑parties et mise en réseau

Une autre application majeure de cette technologie se situe dans le secteur des communications. Les communications quantiques promettent une haute sécurité, des capacités de transmission de données massives et des coûts réduits. Ces réseaux de communication ultra‑sécurisés peuvent offrir une communication quasi en temps réel à plusieurs sources simultanément.

Calendrier d’adoption : des démonstrations en laboratoire aux pilotes sur le terrain

Il pourrait falloir environ 10 ans avant que cette technologie ne parvienne au grand public. Les ordinateurs quantiques sont perçus par beaucoup comme l’évolution naturelle de l’informatique. Cependant, ils restent très coûteux et nécessitent du matériel tel que des chambres cryogéniques, qui restent hors du budget de la plupart des gens.

Chercheurs des points quantiques à double état

L’étude sur les points quantiques à double état a été accueillie par le groupe Photonique du Département de physique expérimentale de l’Université d’Innsbruck. La recherche répertorie également des participants de l’Université de Cambridge, de l’Université Johannes Kepler de Linz et d’autres institutions.

Plus précisément, Vikas Remesh était le chercheur principal de l’étude. Il a reçu une assistance supplémentaire de Gregor Weihs, Yusuf Karli et Iker Avila Arenas. Le financement de l’étude provient du Fonds autrichien pour la science (FWF), de l’Agence autrichienne de promotion de la recherche (FFG) et des programmes de recherche de l’Union européenne.

Prochaines étapes : points quantiques conçus avec une polarisation linéaire arbitraire

L’avenir des points quantiques à double état ne pourrait pas être plus prometteur. Cette technologie a connu une recherche accélérée suite au lancement réussi de l’ordinateur Aurora cette année. Désormais, l’équipe cherchera à créer des points quantiques conçus à haute performance avec des états de polarisation linéaire arbitraires.

Investir dans l’informatique quantique

Il existe plusieurs leaders industriels dans le secteur des ordinateurs quantiques. Ces entreprises continuent d’investir des millions dans la recherche et le développement, espérant rendre la technologie plus accessible et performante à l’avenir. Voici une entreprise qui continue d’innover de manière nouvelle et passionnante.

Quantum Computing Inc

Basée en Virginie, Quantum Computing Inc. (QUBT ) est entrée sur le marché en 2018 avec l’objectif de faire progresser les technologies quantiques et leur adoption. L’entreprise a rapidement reçu le soutien des investisseurs et, en 2021, elle a été cotée au NASDAQ. Aujourd’hui, la société est un fournisseur leader de matériel et de logiciels d’informatique quantique.

Quantum Computing Inc. propose actuellement plusieurs solutions d’informatique quantique. Par exemple, le système Qatalyst peut exécuter des algorithmes financiers et logistiques complexes, offrant un avantage concurrentiel aux utilisateurs. L’entreprise propose également l’accès à son Reservoir Photonic Computer, capable de résoudre les équations les plus complexes en utilisant des photons de lumière.

Dernières actualités boursières et développements de Quantum Computing Inc. (QUBT)

Conclusion des points quantiques à double état

L’étude sur les points quantiques à double état montre comment un effort collaboratif entre les principales institutions scientifiques peut aider à résoudre certains des problèmes les plus avancés du monde. L’informatique quantique est sur le point de remodeler l’avenir de nombreuses manières, et ces ingénieurs ont fait leur part pour garantir que ces appareils atteignent de nouveaux niveaux de performance. Pour ces raisons et bien d’autres, ces scientifiques méritent un salut.

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Références :

^{1. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C. et al. Génération d’états à deux photons démultiplexés passivement à partir d’un point quantique. npj Quantum Inf 11, 139 (2025). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0}