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La première source de lumière quantique autonome

Le traitement de l’information quantique devrait offrir de nouvelles possibilités passionnantes dans l’espace informatique et la France est déjà à l’avant-garde de cette révolution technologique. Exploitant la puissance de la mécanique quantique pour réaliser un bond de géant dans la puissance de traitement, les startups françaises visent à résoudre les problèmes les plus difficiles d’aujourd’hui avec les solutions informatiques de demain.

L’objectif est de fournir une réponse européenne aux défis auxquels sont confrontés l’industrie et les universités du monde entier.

En quelques années seulement, il a été possible de concevoir et de construire un générateur de qubits optiques de haute qualité à base de photons uniques.

Cet appareil est au cœur des technologies quantiques modernes et contribuera à fournir des réseaux de communication quantiques sécurisés et des processeurs quantiques évolutifs. Cet appareil a déjà été livré à des acteurs industriels et académiques de premier plan dans le monde entier.

Ce travail de pionnier est l’aboutissement de plus de 20 ans de recherches novatrices dans de nombreux domaines, des nanotechnologies à l’ingénierie photonique. La technologie présente de nombreux avantages par rapport aux autres systèmes quantiques et continuera d’innover pour conserver son avantage concurrentiel.

Cette année, l’ambition est de fournir un environnement entièrement open source dans lequel les entreprises et les chercheurs apprendront à programmer sur des ordinateurs quantiques.

Le domaine nouveau et stimulant des technologies quantiques s’est déjà révélé très prometteur.

INFORMATIQUE QUANTIQUE PHOTONIQUE

La photonique offre l’une des voies les plus prometteuses vers l’informatique quantique pratique. La plateforme informatique est modulaire, évolutive, interconnectée : elle est évolutive par conception. Elle s’intègre à la technologie photonique classique, les modules sont interconnectés avec des fibres optiques et il fonctionne en grande partie à température ambiante.

Les sources de lumière quantique fournissent des photons de haute qualité à des unités de traitement quantique spécialement conçues sous la forme de puces paramétrables. Des modules optoélectroniques sur-mesure facilitent l’interconnexion de sources de photons à l’état solide avec des processeurs de puces photoniques intégrés, ou avec des boucles à base de fibres dans le cas de l’informatique quantique avec codage temporel. Sur puce ou dans la fibre, les informations sont codées en photons, puis traitées de manière à exploiter les interactions quantiques non classiques.

Les puces peuvent être conçues spécifiquement pour certains algorithmes ou tâches informatiques, par exemple adaptées aux besoins des clients, ou pour permettre des calculs généraux. Comme n’importe quel composant matériel de la plate-forme, une puce peut être remplacée par une autre, voire remplacée ou mise à niveau à mesure que la technologie et les capacités évoluent.

En informatique quantique plus généralement, on parle souvent de qubits, et en effet on peut parler de qubits photoniques et traiter les processeurs comme des processeurs qubit. Mais les photons sont polyvalents et offrent une plus grande variété de possibilités. Il est bien connu que, dans certains cas, il est très avantageux de traiter les photons comme des unités de calcul élémentaires à part entière, notamment pour l’accessibilité de comportements statistiques qui ne peuvent pas être simulés même par des supercalculateurs classiques.

POURQUOI CROIRE AUX PHOTONS

De nombreuses technologies différentes proposent des voies vers l’informatique quantique, des approches basées sur la matière utilisant des électrons, des atomes ou des ions, aux approches basées sur la lumière utilisant des photons. Chacun a ses vertus et ses enjeux en fonction des applications envisagées et de l’évolutivité. On pourrait considérer la modularité, la connectivité, l’universalité informatique ou la puissance informatique.

Dans toutes les technologies, un consensus se forme sur le fait que la voie la plus rapide vers la mise à l’échelle passe par l’interconnexion de processeurs de taille intermédiaire, plutôt que de cibler un seul processeur géant avec des millions de qubits. La photonique est unique en ce qu’elle est la seule approche qui offre à la fois une voie évolutive vers l’informatique quantique universelle et permet nativement la mise en réseau, l’informatique distribuée, les communications quantiques et, éventuellement, un Internet quantique. Approche intrinsèquement modulaire, construite sur des qubits photoniques “volants”, elle est déjà adaptée à cette transition.

Sur le plan de l’infrastructure, les plateformes ne nécessitent pas de cryogénie ni de réfrigération lourdes et sont en grande partie constituées de composants déjà répandus dans l’industrie des télécommunications d’aujourd’hui (lasers, fibres optiques, circuits optiques intégrés). Cela représente un avantage significatif pour la fiabilité et la stabilité, ainsi que pour l’intégration des ordinateurs quantiques dans des environnements standard tels que les centres de données.

EN QUOI CES APPAREILS SONT-ILS DIFFÉRENTS ?

La boîte quantique semi-conductrice – l’atome artificiel jouant le rôle d’émetteur quantique – est incluse dans une cavité optique de taille micrométrique conçue et fabriquée avec une précision et une qualité de fabrication élevées. La précision avec laquelle la boîte quantique est placée dans la cavité, et la cavité elle-même, sont cruciales pour obtenir un dispositif performant à la pointe de la technologie.

Pour obtenir une précision d’alignement < 100 nm, vous devez tirer parti d'une technologie propriétaire unique qui permet d'identifier avec précision la position des émetteurs quantiques, placés de manière aléatoire à l'intérieur du semi-conducteur. Vous devez effectuer une étape de lithographie optique à température cryogénique qui permet de construire précisément la cavité optique adaptée en taille et en forme à l'émetteur choisi. De plus, vous devez inclure des contacts électriques pour régler l'émission de points quantiques via l'effet Stark en appliquant une polarisation externe. Cela permet d'ajuster l'énergie d'émission d'un photon unique et le mode de cavité, d'obtenir les meilleures conditions d'émission et de réduire le bruit de charge. En conséquence, vous pouvez fabriquer efficacement des dizaines de sources de photons déterministes, qui présentent à la fois un taux d'émission élevé, une pureté de photon unique élevée et une indistinguabilité. COMMENT CES DISPOSITIFS PEUVENT-ILS ÊTRE UTILISÉS POUR CONSTRUIRE DES ORDINATEURS PHOTONIQUES ÉVOLUTIFS ? Cette technologie unique consiste en des sources de photons basées sur des nanostructures semi-conductrices qui ont été perfectionnées au cours de 20 ans de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS). Le rendement de la source – caractérisé par la probabilité de délivrer un photon à la demande – est supérieur à 50%, un chiffre qui pourrait atteindre près de 100% et que les ingénieurs ne cessent de pousser. Les approches concurrentes utilisent des sources lumineuses basées sur un processus probabiliste (conversion de fréquence) générant des paires de photons avec des rendements d'environ 1% à 3%. Pour atteindre l'efficacité d'une source unique, des approches alternatives nécessitent le multiplexage de centaines de sources intégrées inefficaces mais identiques, chacune couplée individuellement à des détecteurs hautement efficaces et à un circuit de routage complexe. De cette manière, le nombre de composants croît de manière exponentielle avec le nombre de qubits, tandis qu'une fabrication optimisée de la source à semi-conducteurs maintiendrait les ressources limitées et l'évolutivité à portée de main. COMMUNICATION QUANTIQUE Des réseaux de communication quantiques sont en construction dans le monde entier, combinant les infrastructures de télécommunication existantes avec les technologies quantiques émergentes. Ils permettront l'échange d'informations quantiques entre plusieurs utilisateurs ou même des dispositifs quantiques, comme des ordinateurs et des capteurs. Fondamentalement, les réseaux quantiques permettront également des garanties de sécurité du niveau ultime, via la distribution de clés quantiques (QKD). Mais les réseaux quantiques ne peuvent être rendus possibles qu'avec la lumière quantique. Les sources lumineuses quantiques, construites sur des émetteurs à semi-conducteurs révolutionnaires et des modules optoélectroniques innovants, repoussent les limites de la communication quantique actuelle basée sur QKD vers le développement de réseaux quantiques à grande échelle et de l'internet quantique. Le développement de sources à une variété de longueurs d'onde (780 nm, 930 nm, 1300 nm et 1500 nm) pour exploiter à la fois la communication en espace libre et la fibre optique pour une compatibilité maximale avec diverses technologies quantiques, des mémoires et horloges aux ordinateurs et capteurs quantiques. La technologie des semi-conducteurs permet de développer des sources déterministes de photons intriqués et d'états d'amas photoniques qui deviendront une ressource de plus en plus centrale pour la communication quantique longue distance et les répéteurs quantiques basés sur la mesure.

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