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Nouvelle source de lumière pour les ordinateurs quantiques
20.02.13 - Des chercheurs de l'EPFL ont découvert une nouvelle manière d'émettre des photons un par un. Ils ont construit des nanofils semi-conducteurs dotés d'«îlots quantiques» d'une efficacité sans précédent. Une découverte intéressante pour la réalisation des futurs ordinateurs quantiques.
Dans le monde futuriste des ordinateurs quantiques, les données seront traitées et transmises via des lasers. Les propriétés quantiques de la lumière permettront aux machines de disposer d'une puissance de calculs gigantesque, et d'une rapidité d'exécution incroyable. Concrètement, cependant, beaucoup de travail reste à faire. Afin d'exploiter le potentiel « quantique » de la lumière, il est par exemple nécessaire de pouvoir facilement émettre des photons un à un.
La création « naturelle » d'un système de tri des photons
Au sein du Laboratoire des matériaux semiconducteurs (LMSC) de l'Institut des Matériaux, l'équipe d'Anna Fontcuberta i Morral a découvert une nouvelle méthode pour réaliser des sources de photons uniques minuscules et extrêmement performantes. Elle a observé que des « îlots quantiques » ou nanocristaux se formaient naturellement sur un certain type de fils semi-conducteurs, lors de leur fabrication. La structure finale peut ensuite émettre des photons les uns après les autres, après avoir absorbé de la lumière. Sa découverte a fait l'objet d'une publication dans Nature materials.
Les vertus cachées des nanofils
D'un diamètre de l'ordre du millionième de millimètre (20 à 100 nanomètres), les nanofils sont très efficaces pour absorber la lumière et la manipuler. En les dotant de nanocristaux ou « îlots quantique», ils deviennent en outre capables, lorsqu'ils sont excités par un laser à une certaine fréquence, d'émettre des photons uniques.
Seul hic : le fait de générer des îlots sur des nanofils est en général très compliqué. Les méthodes existantes qui utilisent une modulation ponctuelle de la composition le long du fil sont difficiles à reproduire et elles débouchent sur des structures fragiles, dont le débit de photons n'est pas très élevé.
Une découverte due à l'observation
Au LMSC, les chercheurs ont découvert que des îlots quantiques parfaitement fonctionnels se formaient « naturellement » à la surface de certains nanofils, lors de la fabrication. Pour l'heure, ces îlots sont apparus d'eux-mêmes à l'interface de deux composants de base: l'arséniure de Galium (GaAs) et l'Aluminium Arsenide (AlAs). « Beaucoup de scientifiques travaillant sur les nanofils ont sans doutes déjà créé des îlots mais sans s'en rendre compte », commente Anna Fontcuberta i Morral.
Moduler la taille des nanocristaux
Suite à cette découverte, de nombreux tests ont été effectués, afin de prouver l'efficacité de ces nouvelles sources de photons uniques. « Les calculs et simulations ont été effectué par le superordinateur de l'EPFL par Laboratoire de théorie et simulation des matériaux (THEOS) de Nicola Marzari », indique la chercheuse.
Au final, ces structures ont montré une grande stabilité dans leur fonctionnement, ce qui n'est pas toujours évident à atteindre lorsque l'on parle de nanotechnologies. Elles sont par ailleurs résistantes et très brillantes, c'est-à-dire que le débit des photons est incroyablement rapide. Mieux encore, en régulant le processus de fabrication des nanofils, la taille des îlots peut être modulée et adaptée, selon les besoins. La longueur d'onde des photons émis, qui dépend directement de la taille des îlots, peut ainsi être changée. Il devient dès lors possible pour le nanofil de recevoir un laser d'une certaine longueur d'onde ou « couleur », et de restituer des photons dans une autre couleur- infrarouge, etc.-.
Un phénomène encore inexpliqué
Pour l'heure, le phénomène de formation naturelle des îlots n'est pas encore compris par les chercheurs. L'étude va donc se poursuivre en ce sens. « Il s'agira aussi de voir s'il est possible d'exciter les îlots non plus avec des lasers, mais électriquement, afin de les rendre le plus compatibles possibles avec toutes les machines », explique Anna Fontcuberta i Morral.
A noter que ces sources de photons uniques pourraient également être utilisées dans le domaine de la détection de molécules, ou encore pour perfectionner les méthodes de cryptographie quantique, qui protègent les données informatiques.
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Dans un ordinateur classique, les calculs sont basés sur le « bit », qui ne peut avoir que deux valeurs : le 0 ou le 1. C'est le langage binaire. Dans un ordinateur quantique, le « qbit » (un photon par exemple) peut avoir plusieurs états en même temps, dits états de superposition. Il peut être soit 0, soit 1, soit les deux à la fois. Le but consiste à maintenir les photons dans leur état de superposition, car cela implique que l'ordinateur peut effectuer de multiples calculs en parallèle et simultanément. Et cela augmente drastiquement la vitesse du traitement des données. Or cette capacité de se trouver dans plusieurs états à la fois ne peut être atteinte par un photon que s'il est isolé. Les sources de photons uniques sont donc très prisées.