Sources de photons jumeaux : des débats sur l intrication aux nouvelles technologies quantiques

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1 Sources de photons jumeux : des déts sur l intriction ux nouvelles technologies quntiques Sr DUCCI Lortoire Mtériux et Phénomènes Quntiques, Université Pris Diderot sr.ducci@univ-pris-diderot.fr L intriction est une des propriétés les plus fscinntes de l mécnique quntique ; qund deux prticules sont intriquées, l mesure des propriétés de l une permet de connître instntnément les propriétés de s jumelle, quelle que soit l distnce les séprnt. Après voir été démontrée expérimentlement sur différents systèmes, l intriction est ujourd hui u cœur de plusieurs domines de recherche, comme les communictions, le clcul et l métrologie. En prllèle ux recherches fondmentles sur des expériences de lortoire très complexes, on ssiste à un véritle essor de technologies quntiques dns l ojectif d intégrer plusieurs composnts quntiques sur une même puce. Dns cet rticle, nous illustrons l évolution des sources de pires de photons intriqués, des expériences pionnières sur les cscdes tomiques ux derniers dispositifs ultrcompcts en mtériux semiconducteurs. Des déts sur l étrngéité de l mécnique quntique u théorème de Bell L intriction est un concept troulnt qui soulevé des déts chrnés entre les fondteurs de l mécnique quntique ; l existence de pires de prticules intriquées étit tellement contre-intuitive que Einstein, Podolski et Rosen en 1935 émirent l hypothèse que le formlisme quntique vit esoin d être complété pr un niveu de description supplémentire sous-jcent (vriles cchées). Bohr s oppos fermement à cette hypothèse, mis le dét rest ouvert jusqu en 1964, qund le mthémticien John Bell démontr un théorème permettnt de définir une quntité physique mesurle pour trncher expérimentlement l discussion. Le théorème de Bell ffirme que les théories locles des vriles cchées oéissent ux inéglités de Bell ; puisque certines prédictions de l mécnique quntique (dont les étts intriqués) violent les inéglités de Bell, l mécnique quntique n est ps comptile vec les théories locles à vriles cchées. À prtir des nnées 1970 plusieurs génértions d expériences se sont succédé pour tester l existence de prticules intriquées à des distnces de plus en plus grndes, vec un record ctuel de 300 km [1]. Les vncées technologiques de ces vingt dernières nnées dns l friction de cristux non linéires, fires optiques, mtériux semiconducteurs ont permis de démontrer des sources de photons intriqués de plus en plus efficces et compctes, dont certines sont déjà commercilisées. L violtion des inéglités de Bell est ujourd hui un test très répndu pour quntifier le degré d intriction produite pr les sources. Des cscdes tomiques ux sources prmétriques en mtériux optiques non linéires L intriction, qui peut concerner un ou plusieurs degrés de lierté (polristion, spin, impulsion, énergie, mode sptil, mode temporel ), est produite générlement pr des interctions directes entre prticules élémentires, vi différents types de processus physiques. Les expériences pionnières des nnées 70 et 80 ont porté sur l démonstrtion de l intriction entre pires de photons corrélés en polristion générées pr des cscdes rditives dns les tomes de clcium (voir encdré) ; successivement, grâce ux progrès dns l mîtrise de friction des mtériux optiques, l conversion prmétrique dns des cristux mssifs est devenue l méthode l plus répndue pour produire des photons jumeux. Dns ce processus, un fisceu lser de pompe dns un milieu optique non inéire génère des pires de photons ppelés signl et complémentire. Pour que ce processus it lieu de fçon efficce, l énergie et l impulsion des photons en jeu doivent être conservées (figure 1). Cette deuxième condition, ppelée ussi ccord de phse, n est ps toujours fcile à réliser du fit de l dispersion des mtériux ; pour y prvenir on utilise l 24 Article disponile sur le site ou

2 DOSSIER ESA Figure 1. Conversion prmétrique d un fisceu lser en pires de photons polrisés orthogonlement dns un cristl non linéire. Pour chcune des deux polristions (horizontle et verticle) les photons sont émis sur un cône. Les fréquences et les directions d émissions des photons sont gouvernées pr les reltions de conservtion de l énergie et de l impulsion. Les photons ux intersections des deux nneux verts sont intriqués en polristion. Pour voir loin il fut être précis XLIM Covesion Ltd Figure 2. () Cristux de niote de lithium polrisés périodiquement ; l tille des domines est choisie fin d inverser l phse dès que l interférence à trois ondes cesse d être constructive. Chque cristl peut contenir plusieurs pistes de périodicités différentes. (, c) Imges u microscope électronique à lyge de fires à cristl photonique produites pr le lortoire XLIM. ANALYSEUR DE FRONT D ONDE MIROIR DÉFORMABLE OPTIQUE ADAPTATIVE c iréfringence nturelle de certins cristux ou lors on renverse périodiquement l polristion ferroélectrique du mtériu fin de mintenir en phse les ondes en interction. Prmi les cristux les plus utilisés on peut mentionner le PPLN et le PPKT (figure 2). L essor de l informtion et de l communiction quntiques stimulé à son tour le développement de sources de plus en plus rillntes et simples à utiliser : l optique quntique intégrée est un domine très ctif [2]. L utilistion d une structure guidnte permet de confiner pompe, signl et complémentire sur toute l longueur du guide (typiquement quelques cm) conduisnt insi à des efficcités de conversion et de collection de photons élevées. Plusieurs procédés technologiques ont été mis u point pour intégrer Métrologie optique et optique dpttive pour lsers et microscopie imgine-optic.com 25

3 Créer l intriction vec différents processus physiques c d L intriction entre pires de photons peut être créée vi différents processus physiques, dont nous donnons quelques exemples. Dns l expérience d Aspect et l. (Phys. Rev. Lett., 1981) les tomes de clcium, pompés sélectivement dns le niveu supérieur pr l sorption non linéire de deux photons, émettent deux photons corrélés en polristion (). Une oîte quntique sous excittion optique ou électrique peut cpturer deux électrons et deux trous pour former un étt iexcitonique (). Un des électrons se recomine vec un des trous en émettnt un premier photon ; l pire électron-trou restnte se recomine ensuite en générnt un deuxième photon. Deux chemins de recominison rditive sont possiles à trvers deux étts excitoniques polrisés orthogonlement. Si l séprtion en énergie entre ces deux étts est nulle, les deux chemins sont indiscernles et les deux photons émis sont intriqués en polristion. Les processus de conversion prmétrique sont non résonnts et permettent de créer des pires de photons sur une grnde plge de longueurs d onde. Dns le mélnge à trois (qutre) ondes un (deux) photon(s) pompe(s) génère(nt) une pire de photons signl et complémentire qui se prtgent son énergie et son impulsion (c, d). des guides d onde sur des sustrts de cristux à domines non linéires périodiquement renversés jusqu à tteindre des très files tux de pertes optiques et des efficcités de conversion de 10-6 pires générées pr photon de pompe. Aujourd hui le degré d intriction tteint vec ce type de sources est presque prfit. Les progrès effectués dns les techniques d élortion des fires optiques ont ussi permis de démontrer des sources de photons intriqués ; prmi les résultts les plus mrqunts nous pouvons citer l intriction en polristion dns des fires optiques en silice, vec une nonlinérité de second ordre induite rtificiellement pr polristion thermique. Un effcement périodique de l non-linérité induite dns l direction de propgtion permet ensuite de réliser l condition de qusi ccord de phse. Une deuxième pproche ynt conduit à l génértion de photons intriqués exploite le processus de mélnge à qutre ondes dns des fires en silice à dispersion déclée ou à cristux photoniques ; ces techniques d ingénierie de l dispersion permettent d juster les longueurs d onde des photons générés vi l condition d ccord de phse fin de séprer l longueur d onde des photons générés de celle de l pompe [3]. Sources de lumière quntique en mtériux semi-conducteurs Au cours de ces dernières nnées, des vncées remrqules ont été rélisées sur les sources de pires de photons en semi-conducteurs ; ce type de mtériu, cominé à l mturité technologique de friction tteinte pour certines plteformes (Si, InP, AlGAs ), ouvre de grndes potentilités en termes d intégrtion de nouveux dispositifs optoélectroniques quntiques. Les pproches à l étude ujourd hui se foclisent sur trois types de systèmes : les oîtes quntiques, les guides d onde et les résonteurs en silicium, et les guides d onde en AlGAs. Les oîtes quntiques Les oîtes quntiques sont des nnostructures semi-conductrices qui confinent les électrons et les trous dns les trois dimensions de l espce ; ceci leur confère des propriétés proches de celles d un tome, si ien qu elles sont prfois ppelées «tomes rtificiels». Dns ces systèmes le processus de désexcittion rditive de deux pires électron-trou ppelés excitons été utilisé pour générer des photons intriqués (voir encdré) en régime de pompge optique et électrique [4]. Cette pproche permet d otenir des sources presque déterministes, compte tenu du fit qu une oîte peut émettre une pire pr impulsion d excittion vec une proilité proche de un, et des progrès récents effectués dns l efficcité d extrction des photons générés. À noter que pour exploiter ce processus il est nécessire que l énergie thermique du système soit inférieure à l énergie de l étt lié, ce qui implique un refroidissement des dispositifs à une tempérture de quelques kelvin. L photonique sur silicium Les développements récents de l photonique sur silicium ont permis de démontrer des sources de photons intriqués dns des dispositifs intégrés en différents types de géométries (guides d onde run, résonteurs à modes de glerie ) ; puisque le silicium ne présente ps de non-linérité 26

4 d ordre deux, le processus physique utilisé est le mélnge à qutre ondes [5]. Cette pproche permet d otenir des dispositifs émettnt dns l nde télécom, fonctionnnt à tempérture minte en utilisnt l plteforme SOI (silicon-on-insultor), comptile vec l technologie CMOS. Un grnd nomre de résultts ont été otenus sur l mnipultion d étts à deux ou plusieurs photons sur des circuits photoniques intégrés ; un pnorm de fits mrqunts est présenté sur le site we du projet européen QUANTIP [6]. Le prochin grnd défi pour cette plteforme est l possiilité d intégrer sur les puces photoniques des sources ctives, tâche rendue difficile pr l nde interdite photonique indirecte du silicium. L plteforme AlGAs L génértion prmétrique dns des guides semiconducteurs à gp direct est un processus qui permet de réliser des dispositifs fonctionnnt à tempérture minte, tout en grdnt l possiilité d intégrer le lser de pompe vec le milieu non linéire. Plusieurs vncées ont été rélisées récemment en utilisnt le mélnge à trois ondes sur l plteforme AlGAs qui permet de cominer des efficcités de conversion élevées (χ (2) ) du GAs 110 pm/v à nm) vec l émission de photons jumeux dns l nde l plus utilisée des télécommunictions ( nm). Puisque ce mtériu n est ps iréfringent, diverses solutions ont été proposées pour stisfire l condition d ccord de phse prmi lesquelles l iréfringence de forme (qui consiste à induire une iréfringence rtificielle en lternnt des couches de GAs et d un oxyde - AlO x ), le qusi-ccord de phse (en rélisnt des guides présentnt des domines de non-linérité inversée pr des techniques de reprise de croissnce sur des sustrts micro-structurés), l ccord de phse modl (qui consiste à fire intergir différents types de modes guidés dont l indice effectif été spécifiquement dessiné), l ccord de phse contr-propgent (vec un fisceu de pompe trnsverse pr rpport ux photons émis). À titre d exemple nous présentons deux types de dispositifs démontrés très récemment qui génèrent des pires de photons jumeux dns l nde spectrle télécom : le premier est une microcvité grvée en forme de run conçue de fçon telle qu un fisceu de pompe, incident sur l surfce du guide vec un certin ngle d incidence, génère deux fisceux guidés se propgent en directions opposées et polrisés orthogonlement (figure 3). En pompnt le dispositif vec deux ngles d incidence correspondnt à l dégénértion en fréquence des photons générés, les inéglités de Bell ont pu être violées en démontrnt que les photons émis présentent un fort niveu d intriction [7]. Cette géométrie de pompge permet pr illeurs de jouer de fçon simple vec l intriction sur un utre degré de lierté, DOSSIER IDS élrgit s gmme de cmérs USB 3.0 vec trois nouvelles fmilles IDS Imging Development Systems GmH propose trois nouvelles fmilles de cmérs USB 3.0 en plus des séries à succès USB 3 ueye CP, introduites sur le mrché en Que ce soit des cmérs à encomrement réduit ou des versions cmérs-crte, ou encore des versions à oîtier rouste et nénmoins légères! Les nouvelles fmilles sont un excellent choix pour les toutes les demndes critiques, en termes de coûts, dns les pplictions en utomtisme, en rootique, dns l emllge, l instrumenttion, le trnsport et l imgerie médicle. L mnipultion de l intégrtion et de l cmér elle-même est très simple grâce u Plug & Ply d USB et u pck logiciel IDS grtuit «Softwre Suite», sophistiqué et identique pour l ensemle des cmérs ueye. Pour les pplictions à volume, cmér prfite et rentle : version vec oîtier USB 3 ueye LE monture d ojectif C/CS Elle est non seulement très légère, en rison de son oîtier plstique, mis encore ssez rouste pour les environnements industriels. Version Cmér-crte USB 3 ueye LE monture S-Mount! 36 x 36 mm L cmér dispose d un connecteur 8 roches et une limenttion 5 V, un trigger, un flsh, 2 ports GPIO et un us I 2 C pour le déclenchement d ppreils externes. Cmér polyvlente pour l construction mécnique : USB 3 ueye ML monture d ojectif C/CS Pesnt seulement 41 g et mesurnt 47 x 46 x 28 mm, l cmér USB 3 ueye ML est prfite pour toutes les pplictions où l espce est restreint. Grâce ux deux ports GPIO, u trigger et u flsh opto-couplés, l USB 3 ueye ML est dptée à une grnde vriété d pplictions. Séries uniques en leur genre - une crctéristique commune : excellente qulité d imge Tous les modèles sont équipés des tout derniers cpteurs hute sensiilité CMOS d Aptin 5 mégpixels et e2v 1,3 et 2 Mp et NIR. Mise à niveu simplifiée! IDS fit du pssge d USB 2.0 à l technologie USB 3.0 un jeu d enfnt grâce à l suite logicielle IDS qui fonctionne sur toutes les cmérs IDS. De plus, l cmér USB 3 ueye LE est de même encomrement que les modèles USB 2.0, insi l trnsition vers l technologie USB 3.0 en est simplifiée. Contct IDS Imging Development System Gmh PUBLIRÉDACTIONNEL PHOTONIQUES

5 Figure 3. () Schém d une microcvité semi-conductrice pour l génértion de pires de photons intriqués contr-propgents : le fisceu de pompe est trnsverse pr rpport ux photons guidés dns le dispositif. () Photogrphie u microscope électronique à lyge du guide d onde ; l lrgeur du run est de 4 μm, s longueur 1 mm. C. Auteert/Pris Diderot Univ. Figure 4. () Schém de l première source de photons jumeux injectée électriquement fonctionnnt à tempérture minte. Un cournt électrique génère un fisceu lser (en rouge dns l structure) qui est converti en pires de photons à l intérieur du dispositif lui-même. () Histogrmme de coïncidences entre les instnts d rrivée de photons signl et complémentire. les corréltions entre les fréquences des deux photons de l pire, qui peuvent être contrôlées vi les propriétés sptiles et spectrles du fisceu de pompe. Le deuxième dispositif est une source de photons jumeux très compcte injectée électriquement et fonctionnnt à tempérture minte : ici le lser de pompe et le milieu non linéire sont complètement intégrés. L structure, u cœur de lquelle se trouve un puits quntique, est optimisée pour générer l émission lser et l convertir directement en pires de photons à l intérieur du même dispositif (figure 4). L condition d ccord de phse est otenue en fisnt de l ingénierie de l dispersion des modes guidés pr l structure : le mode lser, guidé pr des miroirs de Brgg, est ccordé en phse vec les modes fondmentux TE 00 et TM 00 utour de 1,55 μm. L échntillon est limenté vec des impulsions électriques de durée 60 ns à un tux de répétition de 40 khz. L démonstrtion de l émission des photons pr pires est effectuée en séprnt les deux photons de chque pire pr leur polristion et en mesurnt les corréltions temporelles entre leurs instnts d rrivée sur les détecteurs. Tous ces résultts ouvrent des perspectives vers de nouvelles génértions de dispositifs dns lesquels l production, mnipultion et mesure d étts quntiques de l lumière se font sur une même puce et constituent un ps importnt vers une lrge diffusion des technologies quntiques. Références [1] A. Aspect, Une nouvelle révolution quntique, Demin l Physique, Editions O. Jco (2004). [2] S. Tnzilli et l. Lser & Photonics Reviews 6, 115 (2012). [3] E.Y. Zhu et l. Phys. Rev. Lett. 108, (2012) ; A. R. McMilln et l. Opt. Express 17, 6156 (2009). [4] A. Dousse et l. Nture 466, (2010) ; Slter et l. Nture 465, (2010). [5] H. Tkesue et l. Opt. Express 16, 5721 (2008). [6] quntip/home.html [7] A. Orieux et l. Phys. Rev. Lett. 110, (2013) ; F. Boitier et l. Phys. Rev. Lett. 112, (2014). 28