L’informatique quantique photonique nécessite plusieurs sources indépendantes de photons uniques qui fonctionnent comme une ressource quantique unifiée. En collaboration avec le C2N (sous la direction scientifique de Pascale Senellart, Chief Scientific Officer de Quandela) et nos équipes R&D, nous démontrons une interférence à haute fidélité entre photons émis par des sources indépendantes à boîtes quantiques couplées à des cavités. Nous atteignons une indiscernabilité de 88 ± 1 % sans filtrage spectral, posant ainsi une base solide pour des architectures photoniques multi-sources.
Introduction
L’informatique quantique photonique utilise les photons pour transporter l’information quantique, avec des avantages notables en rapidité et connectivité. Mais pour que les opérations fonctionnent, les photons issus de sources différentes doivent être quasiment identiques — en longueur d’onde, synchronisation et autres propriétés essentielles. Atteindre ce niveau d’indiscernabilité entre sources indépendantes a longtemps été un défi.
C’est d’autant plus crucial pour l’architecture Spin-Optical Quantum Computing (SPOQC), où chaque source intègre un qubit de spin stockant localement l’information. Pour que les opérations d’intrication soient fiables, les photons doivent interférer entre eux, permettant aux spins de « communiquer » et rendant possible un calcul quantique à grande échelle.
Le problème ? Les propriétés des boîtes quantiques sont aléatoires, avec des environnements locaux qui introduisent des différences. Produire des photons identiques à partir de sources indépendantes reste donc particulièrement difficile. Le passage d’une source unique demultiplexée à une véritable architecture multi-source demeure ainsi l’un des principaux verrous du domaine.
En collaboration avec le C2N et grâce à l’expertise R&D de Quandela, nous proposons une méthode pour générer des photons indiscernables à partir de sources indépendantes à boîtes quantiques couplées à des cavités. Une avancée clé vers des processeurs quantiques plus puissants.
Le défi : rendre compatibles des sources quantiques indépendantes
Le défi ne se limite pas à générer des photons uniques, mais à garantir qu’ils soient indiscernables malgré des environnements de bruit différents.
Les émetteurs présentent des variations en :
- Longueur d’onde
- Diffusion spectrale (fluctuations aléatoires de la fréquence d’émission)
- Dynamique temporelle d’émission
- Interactions avec les charges environnantes et les phonons
Ces différences réduisent la qualité de l’interférence quantique entre photons issus de dispositifs séparés. Historiquement, cela nécessitait un filtrage en longueur d’onde ou une post-sélection temporelle, limitant l’efficacité des sources de photons uniques.
Notre travail contourne ces limites grâce à une uniformisation dès la fabrication et un réglage spectral après fabrication.
Notre approche : des sources photoniques à boîtes quantiques et cavités
Nous utilisons des boîtes quantiques InGaAs intégrées dans des micropiliers optiques comme sources déterministes de photons uniques. La cavité améliore l’efficacité d’extraction des photons émis par les boîtes quantiques en contrôlant leur direction d’émission.
La fabrication repose sur une croissance à faible densité par épitaxie par jets moléculaires (MBE) de haute précision, afin de réduire le bruit de charge lié aux fluctuations de l’environnement. Ensuite, une lithographie in-situ pré-sélectionne les boîtes quantiques selon leur longueur d’onde, garantissant une faible dispersion spectrale (~94 pm) pour des performances reproductibles.
Deux réglages complémentaires sont appliqués après la fabrication :
- Contrainte mécanique pour un ajustement grossier (centaines de pm)
- Champ électrique pour un alignement fin (~dizaines de pm)
Cette double commande assure un recouvrement spectral précis entre sources indépendantes.
Fabrication de sources identiques de photons uniques à faible bruit
Résultats clés : indiscernabilité élevée
Nous mesurons l’interférence à deux photons via l’expérience Hong–Ou–Mandel (HOM) entre photons émis par des sources distinctes.
La mesure montre une indiscernabilité mutuelle de 88 ± 1 %, démontrant une forte interférence quantique entre dispositifs indépendants.
Cette performance est obtenue sans filtrage ni post-sélection, à des taux d’émission élevés.
L’indiscernabilité atteint la limite intrinsèque des émetteurs et reste principalement contrainte par la décohérence due aux phonons, une interaction fondamentale, et non par des défauts de fabrication.
Cela montre que la variabilité des dispositifs n’est plus la limite principale.
Pourquoi c’est important pour les architectures photoniques quantiques et SPOQC
Aujourd’hui, nos puces photoniques quantiques (QPU) utilisent une source unique demultiplexée pour produire plusieurs photons simultanément. Ce demultiplexage réduit la fréquence d’horloge et introduit des pertes.
La génération multi-source élimine ce besoin,en améliorant le débit et la simplicité de l’architecture.
Plus important, elle est essentielle pour SPOQC. En permettant aux photons de différentes sources à spins d’interférer, elle permet aux spin de communiquer via une interférence photonique à haute fidélité, cruciale pour l’intrication et le calcul.
Notre démonstration soutient le design modulaire de SPOQC en supprimant le goulot d’étranglement lié aux disparités entre les sources. Elle facilite l’opération parallèle des modules spin-photon, simplifie les circuits et fait avancer l’informatique quantique tolérante aux fautes.
Points à retenir
- L’informatique quantique photonique nécessite l’interférence entre photons indiscernables.
- Les émetteurs indépendants présentent naturellement des variations spectrales et temporelles dans leur émission.La fabrication de haute précision assure un contrôle serré de la longueur d’onde d’émission (~94 pm).
- Le double contrôle par champ électrique et contrainte mécanique permet un alignement déterministe.
- Un bruit spectral ultra-faible garantit une émission stable entre dispositifs indépendants.
- Une indiscernabilité de 88 ± 1 % est obtenue sans filtrage ni post-sélection.
- La performance est limitée par la décohérence intrinsèque due aux phonons.
- Le désalignement entre dispositifs n’est plus le principal verrou.
- L’approche ouvre la voie à des architectures multi-sources.
Conclusion
Nous montrons que des sources indépendantes à boîtes quantiques couplées à des cavités peuvent émettre des photons hautement indiscernables avec efficacité et reproductibilité. Ce travail, fruit d’une collaboration entre le C2N et Quandela, établit une base matérielle pour des architectures photoniques quantiques multi-sources.
En approchant les limites intrinsèques des matériaux, le principal verrou relève désormais de la physique fondamentale. C’est un pas crucial vers des systèmes modulaires et à grande échelle.
Les futures améliorations de la conception des cavités renforceront encore l’indiscernabilité, permettant des processeurs plus complexes.
