Un mini détecteur pourrait stimuler les technologies quantiques
Illustration en 3D d'un ordinateur quantique en fonctionnement. © iStock
Détecter une seule particule de lumière est difficile; détecter un seul photon micro-ondes est encore plus difficile. Les photons micro-ondes, de minuscules paquets de rayonnement électromagnétique utilisés dans les technologies actuelles, comme le Wi-Fi et le radar, transportent beaucoup moins d'énergie que la lumière visible. Ils sont environ 100 000 fois plus faibles que les photons optiques.
De nombreuses technologies quantiques existantes dépendent de la détection extrêmement fiable de photons individuels. Pour la lumière visible, on utilise des dispositifs qui convertissent directement la lumière entrante en signaux électriques. Mais aux fréquences micro-ondes (0,3-30 GHz), les systèmes sont en échec, car chaque photon individuel n'a pas assez d'énergie pour libérer une charge électrique dans un matériau. Cela signifie que la détection de photons micro-ondes individuels nécessite une stratégie complètement différente.
Depuis longtemps, l’objectif est donc de réaliser un dispositif simple capable de détecter en continu les photons micro-ondes. Des scientifiques dirigés par Pasquale Scarlino, professeur au Laboratoire des circuits quantiques hybrides de l'EPFL, viennent de développer un détecteur à base de semi-conducteurs qui fait un pas important dans cette direction.
Un courant faible, mais mesurable
Publié dans Science Advances, le dispositif combine une structure semi-conductrice, appelée « double point quantique », avec une cavité micro-ondes supraconductrice - un minuscule circuit résonnant qui piège et stocke les photons micro-ondes afin qu'ils puissent interagir fortement avec le dispositif. Ensemble, ces composants convertissent les photons micro-ondes entrants en un courant électrique faible, mais mesurable.
« Au-delà de l'établissement d'une nouvelle référence pour les photodétecteurs micro-ondes à base de semi-conducteurs, ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour l'optique micro-ondes quantique, la détection quantique et les plateformes d'information quantique évolutives », déclare Scarlino.
Applications quantiques futures
Selon son réglage, le système a détecté entre 55% et 67,7% des photons entrants, le meilleur réglage approchant les 70%. Cela signifie que la plupart des photons qui entrent dans le système sont convertis en un signal électrique mesurable, une étape importante pour les détecteurs micro-ondes à base de semi-conducteurs.
Le dispositif fonctionne également en continu. Une fois qu'un photon est absorbé, le système se réinitialise en quelques nanosecondes lorsque les électrons entrent et sortent des points, prêt pour l'événement suivant. Ses performances sont comparables à celles d'autres détecteurs de photons micro-ondes de pointe. Et comme le dispositif est construit à partir de points quantiques semi-conducteurs, il pourrait en principe se trouver sur la même puce que les qubits de spin, aidant à connecter la photonique micro-ondes aux ordinateurs quantiques à base de semi-conducteurs.
Le cœur du détecteur est constitué d’un double point quantique : deux minuscules îlots de matériau semi-conducteur pouvant chacun contenir un seul électron. Les chercheurs ont défini ces îlots à l’aide de grilles métalliques sur une puce semi-conductrice fabriquée à partir d’une hétérostructure d’arséniure de gallium/arséniure d’aluminium et de gallium (GaAs/AlGaAs) qui héberge un gaz d’électrons bidimensionnel de haute qualité et permet un contrôle précis des électrons individuels.
L'une des grilles métalliques est reliée à une cavité supraconductrice constituée d'un réseau de jonctions Josephson — de petits dispositifs supraconducteurs composés de deux supraconducteurs séparés par une fine barrière isolante qui permettent aux courants quantiques de circuler et créent un circuit micro-ondes hautement accordable. Cette cavité stocke des photons micro-ondes à des fréquences comprises entre 3 et 5,2 gigahertz. Comme la cavité présente une impédance électrique élevée, ce qui facilite l'induction d'un champ électrique important par la cavité, elle interagit fortement avec la charge électronique des points quantiques.
Détection de photons micro-ondes individuels
Lorsqu’un photon micro-ondes pénètre dans la cavité et que son énergie correspond à la séparation d’énergie du double point quantique, le photon peut être absorbé par l’électron du double point quantique. Cette absorption excite le système et provoque le déplacement de l’électron entre les deux points. L’électron passe alors par effet tunnel vers un réservoir voisin. Ce mouvement crée un faible courant continu. En mesurant ce courant, les chercheurs peuvent déterminer qu’un photon a été absorbé.
Pour évaluer les performances du détecteur, l'équipe a d'abord vérifié l'intensité du signal micro-ondes entrant en mesurant la variation des niveaux d'énergie du dispositif. Elle a ensuite mesuré le courant source-drain circulant à travers le double point quantique, entre ses deux réservoirs d'électrons, tout en augmentant progressivement la puissance micro-ondes. Lorsque le signal était si faible qu'il y avait moins d'un photon à la fois, le courant augmentait proportionnellement au nombre de photons entrants.
Autres contributeurs
- Université de Bâle
- ETH Zurich
- Université de Lund
Secrétariat d’État à la formation, à la recherche et à l’innovation (SERI)
Fonds national suisse (NCCR SPIN)
EPFL QSE Postdoctoral Fellowship Grant
NanoLund
Fabian Oppliger, Wonjin Jang, Aldo Tarascio, Franco De Palma, Christian Reichl, Werner Wegscheider, Ville F. Maisi, Dominik Zumbühl, Pasquale Scarlino. Tunable high-efficiency microwave photon detector based on a double quantum dot coupled to a superconducting high-impedance cavity. Science Advances 03 avril 2026. DOI: 10.1126/sciadv.aeb9784