Une source hybride III-V / Silicium de photons intriqués

Combiner la génération et la manipulation d’états quantiques de lumière sur puce et à température ambiante est une exigence cruciale pour le développement des technologies de l’information quantique. Ces travaux proposent une solution hybride intégrant deux plateformes de matériaux semi-conducteurs hautement complémentaires au sein d’un dispositif miniaturisé. Cette approche exploite les atouts de chaque matériau tout en compensant leurs limitations respectives, permettant d’obtenir des fonctionnalités accrues.

Les chercheur.e.s ont utilisé les propriétés optiques de l’AlGaAs, un semi-conducteur à bande interdite directe, pour produire des paires de photons intriqués dans la bande télécom sous excitation par un laser externe. L’intrication, une corrélation non-classique au cœur de la physique quantique, est une ressource essentielle pour les applications en information quantique. Après leur génération, les photons intriqués sont transférés vers un circuit photonique en silicium sur isolant (SOI), qui est collé de manière adhésive à la source AlGaAs. Ce processus de transfert est conçu pour transmettre uniquement les paires de photons tout en filtrant le laser de pompe externe. Le silicium, plateforme très mature grâce à son usage intensif dans l’industrie, permet la mise en œuvre de circuits optiques complexes implémentant des fonctionnalités avancées. Ainsi, le dispositif produit des états quantiques biphotoniques en exploitant la forte non-linéarité optique de second-ordre de l’AlGaAs, puis les transfère à un circuit silicium tout en préservant leurs propriétés essentielles pour des applications pratiques, à savoir une grande brillance, une large bande passante et une haute qualité d’intrication.

Ce dispositif ouvre la voie à la mise en œuvre de protocoles d’information quantique entièrement intégrés sur puce : tandis que les éléments de manipulation requis sont prêts à être intégrés du côté silicium, la bande interdite directe de l’AlGaAs peut être exploitée pour intégrer le champ laser de pompe au sein du même dispositif, ouvrant la voie à des circuits photoniques quantiques compacts et autonomes pour des applications en conditions réelles des protocoles d’information quantique.

Référence :

Hybrid III-V/Silicon quantum photonic device generating broadband entangled photon pairs

J. Schuhmann, L. Lazzari, A. Lemaître, I. Sagnes, G. Beaudoin, M. Amanti, F. Boeuf, F. Raineri, F. Baboux, S. Ducci

PRX Quantum 5, 040321 (2024)