Un mini détecteur pourrait stimuler les technologies quantiques

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.

Autres contributeurs

• Université de Bâle
• ETH Zurich
• Université de Lund