Une équipe d'ingénieurs a conçu une puce optique ultra-mince capable de contrôler avec précision la lumière laser en consommant beaucoup moins d'énergie, ouvrant ainsi la voie à des ordinateurs quantiques bien plus grands. Fabriquée dans des usines de semi-conducteurs classiques, cette puce est économique et sa production peut être industrialisée.
Une nouvelle puce optique, près de 100 fois plus fine qu'un cheveu humain, pourrait permettre de transformer les ordinateurs quantiques de laboratoire actuels en machines puissantes dotées de milliers, voire de millions de bits quantiques.
Les chercheurs rapportent que leur minuscule dispositif, publié Dans un article publié dans Nature Communications, il est démontré que ce dispositif permet de remodeler la lumière laser avec précision tout en consommant une fraction de l'énergie des équipements actuels, très encombrants. De plus, et c'est tout aussi important, il est fabriqué avec la même technologie de production de masse que celle utilisée pour les puces informatiques courantes, ce qui permet d'en produire de très grandes quantités.
Ces travaux, menés par Jake Freedman, futur doctorant au département de génie électrique, informatique et énergétique de l'Université du Colorado à Boulder, Matt Eichenfield, professeur et titulaire de la chaire Karl Gustafson en ingénierie quantique, et des collaborateurs des laboratoires nationaux Sandia, dont le co-auteur principal Nils Otterstrom, s'attaquent à l'un des plus grands obstacles à la mise à l'échelle des ordinateurs quantiques : le contrôle de la lumière.
De nombreux ordinateurs quantiques parmi les plus prometteurs stockent l'information dans des atomes ou des ions individuels maintenus en place par des champs électromagnétiques. Pour faire fonctionner ces qubits, les chercheurs doivent adresser chaque atome avec précision à l'aide de faisceaux laser, en utilisant de minuscules variations de fréquence pour encoder et manipuler l'information quantique.
En substance, les scientifiques doivent pouvoir « communiquer » de manière fiable avec chaque atome sans perturber ses voisins.
Freedman a expliqué que la réalisation de copies légèrement décalées d'un laser est essentielle à cette tâche.
« La création de nouvelles copies d'un laser présentant des différences de fréquence très précises est l'un des outils les plus importants pour travailler avec les ordinateurs quantiques à base d'atomes et d'ions », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse. « Mais pour ce faire à grande échelle, il faut une technologie capable de générer efficacement ces nouvelles fréquences. »
Actuellement, ces décalages de fréquence sont généralement produits par de grands modulateurs électro-optiques de table, placés sur des bancs optiques et consommant une quantité importante d'énergie micro-ondes. Ils conviennent aux expériences avec un petit nombre de qubits, mais ne sont pas conçus pour des systèmes qui pourraient nécessiter à terme des dizaines, voire des centaines de milliers de canaux optiques distincts.
Eichenfield a formulé le défi sans détour.
« On ne construit pas un ordinateur quantique avec 100 000 modulateurs électro-optiques encombrants stockés dans un entrepôt rempli de tables optiques », a-t-il déclaré dans le communiqué de presse. « Il faut des méthodes de fabrication beaucoup plus évolutives, qui ne nécessitent pas d'assemblage manuel ni de longs trajets optiques. De plus, si l'on parvient à les intégrer sur quelques microprocesseurs et à réduire la chaleur d'un facteur 100, les chances de réussite sont bien plus grandes. »
Le nouveau dispositif mis au point par l'équipe constitue un pas dans cette direction. Il s'agit d'un modulateur de phase optique, un composant qui modifie la phase de la lumière, c'est-à-dire l'alignement des crêtes et des creux d'une onde lumineuse au fil du temps. En contrôlant la phase à très haute vitesse, la puce peut générer de nouvelles fréquences précisément espacées à partir d'un seul laser.
Pour ce faire, le dispositif utilise des vibrations mécaniques à fréquence micro-ondes oscillant des milliards de fois par seconde. Ces vibrations ultrarapides interagissent avec la lumière traversant la puce, imprimant des modifications contrôlées de la phase du laser. Il en résulte un ensemble de nouvelles fréquences laser d'une grande stabilité et d'une efficacité élevée, essentielles pour l'informatique quantique, la détection quantique et les réseaux quantiques.
D'après les chercheurs, leur modulateur de phase peut générer ces nouvelles fréquences tout en consommant environ 80 fois moins d'énergie micro-ondes que de nombreux appareils commerciaux. Cette réduction de la consommation d'énergie engendre moins de chaleur, ce qui permet d'intégrer un nombre beaucoup plus important de canaux, potentiellement sur une seule puce.
Cette combinaison d'efficacité, de compacité et de précision rend cette technologie prometteuse pour les futures machines quantiques qui pourraient avoir besoin de coordonner une « danse » complexe de milliers d'atomes simultanément.
La méthode de fabrication de l'appareil est tout aussi importante. Au lieu d'utiliser des composants sur mesure fabriqués à la main, l'équipe a entièrement fabriqué les modulateurs dans une usine de semi-conducteurs standard, souvent appelée « fab ».
« La fabrication CMOS est la technologie la plus facilement industrialisable jamais inventée par l'humanité », a ajouté Eichenfield, en faisant référence au procédé utilisé pour fabriquer les microprocesseurs et les puces mémoire modernes. « Chaque puce microélectronique de chaque téléphone portable ou ordinateur contient des milliards de transistors quasiment identiques. Ainsi, grâce à la fabrication CMOS, nous pourrons à l'avenir produire des milliers, voire des millions, de versions identiques de nos dispositifs photoniques, ce qui est précisément ce dont l'informatique quantique aura besoin. »
Selon Otterstorm, ces travaux permettent de rendre plus efficaces et plus compacts des appareils autrefois coûteux, énergivores et encombrants. Il décrit cette évolution comme un tournant pour les technologies basées sur la lumière.
« Nous contribuons à propulser l'optique dans sa propre "révolution des transistors", en s'éloignant de l'équivalent optique des tubes à vide et en se tournant vers des technologies photoniques intégrées et évolutives », a ajouté Otterstorm.
À long terme, ce type de « révolution des transistors » pour l'optique pourrait faire pour le matériel quantique ce que les circuits intégrés ont fait pour l'informatique classique au XXe siècle : miniaturiser des systèmes de la taille d'une pièce jusqu'à les rendre suffisamment bon marché et fiables pour un déploiement à grande échelle.
L'équipe travaille déjà sur la prochaine étape. Elle développe des circuits photoniques entièrement intégrés qui combinent plusieurs fonctions clés — génération de fréquence, filtrage et mise en forme d'impulsions — sur une même puce. Cela la rapprocherait d'une plateforme de contrôle optique complète et prête à l'emploi pour les ordinateurs quantiques.
Les chercheurs prévoient ensuite de collaborer avec des entreprises spécialisées en informatique quantique afin de tester différentes versions de ces puces au sein de systèmes de pointe à ions et atomes neutres piégés. Ces collaborations permettront d'évaluer le comportement des nouveaux modulateurs en conditions réelles et d'identifier les améliorations nécessaires.
Freedman considère ce dispositif comme une étape cruciale sur la voie de machines quantiques pratiques à grande échelle.
« Ce dispositif est l'une des dernières pièces du puzzle », a-t-il ajouté. « Nous nous rapprochons d'une plateforme photonique véritablement évolutive, capable de contrôler un très grand nombre de qubits. »
Source: Université du Colorado à Boulder