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Des puces semiconductrices pour l’ingénierie d’états quantiques de haute dimension

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Les états intriqués de lumière dans un degré de liberté de haute dimension offrent de nouvelles possibilités pour l’information quantique, des tests fondamentaux de la mécanique quantique aux protocoles de calcul et de communication. Dans ce contexte, le choix de la fréquence comme degré de liberté combine les atouts de la robustesse à la propagation et de la facilité de manipulation avec les composants de télécommunication standard. En parallèle l’implémentation de ces concepts sur des dispositifs fonctionnels, évolutifs et pouvant être produits à grande échelle constitue un autre défi majeur des technologies quantiques.

L’équipe QITe du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques en collaboration avec le Centre de Nanoscience et Nanotechnologies a adressé ce double défi en démontrant deux nouvelles techniques de génération et de manipulation de paires de photons intriqués en fréquence, en utilisant des puces semiconductrices (AlGaAs) miniaturisées.

La première méthode, publiée dans npj Quantum Information, utilise un guide d’onde nonlinéaire pour générer des peignes de fréquence à deux photons sur une très large bande spectrale, et contrôler leur symétrie par simple réglage de la fréquence du faisceau de pompe combiné à l’introduction d’un délai entre les photons de chaque paire.

La seconde méthode, publiée dans Optica, repose sur une microcavité semiconductrice éclairée par un faisceau laser transverse. Le contrôle du profil spatial de ce faisceau de pompe permet de faire l’ingénierie de l’état de corrélation et de la symétrie de l’état quantique : les photons produits se comportent alors soit comme des bosons, soit comme des fermions.

Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation de protocoles complexes de façon tout-intégrée et au déploiement hors des laboratoires de technologies quantiques basées sur des états de haute dimension, qui pourraient notamment être utilisés dans les futurs réseaux quantiques.


Figure :
Fonction de Wigner (vue d’artiste) de paires de photons intriqués en fréquence produits par une puce semiconductrice, montrant un comportant soit fermionique (rouge) soit bosonique (bleu) des photons.

Contact :
M. Amanti, F. Baboux, S. Ducci

Références :
Generation and symmetry control of quantum frequency combs, G. Maltese, M. Amanti, F. Appas, G. Sinnl, A. Lemaître, P. Milman, F. Baboux, S. Ducci
npj Quantum Information 6, 13 (2020)

Engineering two-photon wavefunction and exchange statistics in a semiconductor chip, S. Francesconi, F. Baboux, A. Raymond, N. Fabre, G. Boucher, A. Lemaître, P. Milman, M. Amanti, S. Ducci
Optica 7, 316 (2020)