QuTech, l’institut de recherche quantique fondé conjointement par l’Université de technologie de Delft et l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique appliquée TNO, a démontré une interface lumière-matière efficace et cohérente, reliant un émetteur quantique à centre coloré étain-lacune dans le diamant à des photons au sein d’une cavité nano-optique. Ces travaux, dirigés par le professeur Ronald Hanson, ont été publiés dans la revue Physical Review X. L’équipe de recherche a obtenu une coopérativité cohérente supérieure à 1 pour le centre coloré étain-lacune dans une cavité à cristal photonique en diamant. Ce résultat indique que les interactions quantiques cohérentes utiles peuvent surpasser le bruit de décohérence, offrant ainsi une base expérimentale pour établir une « poignée de main » plus fiable entre les qubits solides et les qubits photoniques volants.

Le centre coloré étain-lacune est un défaut artificiel dans le réseau cristallin du diamant, formé par la combinaison d’un atome d’étain et d’une lacune de carbone. Il se comporte comme un système quantique de type atomique intégré dans un solide, capable à la fois de porter des informations quantiques et d’interagir avec la lumière.

L’internet quantique et le calcul quantique modulaire nécessitent tous deux de connecter deux types de porteurs quantiques : d’une part, les qubits solides sur puce, utilisés pour stocker et traiter l’information ; d’autre part, les qubits photoniques, qui transmettent l’état quantique entre différents nœuds. La difficulté réside dans le fait que les défauts solides sont affectés par le bruit du matériau environnant, et que les photons doivent interagir avec l’émetteur avec une haute fidélité en un temps extrêmement court. Une simple amélioration de la luminescence ne fait qu’indiquer une émission plus brillante, sans garantir la cohérence nécessaire aux protocoles quantiques. Dans ces travaux, QuTech a intégré le centre coloré étain-lacune dans une cavité à cristal photonique en diamant, permettant à la nanocavité de concentrer le champ lumineux dans la région du défaut, renforçant ainsi l’interaction entre l’émetteur quantique unique et les photons, et confirmant par des mesures de largeur de raie une coopérativité cohérente supérieure à 1.

Le seuil « supérieur à 1 » correspond à une étape expérimentale importante. Il indique que la force de couplage cohérent est suffisante pour surpasser l’effet de décohérence environnementale, et que le système commence à entrer dans une plage de fonctionnement plus adaptée à la transmission d’états quantiques et à la génération d’intrication à distance.

L’équipe de recherche a également montré des signes de fabricabilité à grande échelle. Ils ont mesuré 327 dispositifs nanophotoniques en diamant sur deux puces, obtenant un facteur de qualité moyen élevé et un bon rendement de fabrication. Dans deux dispositifs clés, le centre coloré étain-lacune couplé à la cavité a considérablement renforcé l’émission de photons dans le mode optique cible. Selon le site web de QuTech, lorsque la cavité optique est accordée en résonance avec le centre coloré étain-lacune, un émetteur quantique unique peut moduler fortement la lumière transmise dans la cavité, approchant une quasi-fermeture de la transmission lumineuse à travers la cavité. Cela démontre qu’un émetteur quantique solide peut déjà exercer un fort contrôle sur un champ lumineux à l’échelle d’un photon unique, fournissant une base de dispositif pour la future connexion de plusieurs nœuds quantiques en réseau.

Les applications de ces résultats se concentrent sur les réseaux quantiques. Les futurs nœuds quantiques devront effectuer localement le stockage et le traitement quantiques, puis envoyer l’information quantique à des nœuds distants via des photons, établissant ainsi une intrication à distance et des connexions de calcul quantique distribué.

L’avantage de la filière des centres colorés dans le diamant réside dans sa capacité d’intégration solide et son potentiel d’interface optique. Comparé à d’autres systèmes de centres colorés, le centre étain-lacune possède de bonnes propriétés optiques et de spin, ce qui le rend adapté à la construction de dispositifs sur puce pour les réseaux quantiques. La nanocavité optique joue le rôle d’« amplificateur d’interaction », en comprimant l’interaction émetteur-photon, initialement faible, dans un mode optique de plus petit volume et de plus grande intensité de champ. Une fois la coopérativité cohérente dépassant 1, les recherches ultérieures peuvent se tourner vers la génération d’intrication à distance, les nœuds répéteurs quantiques, l’interconnexion de processeurs quantiques modulaires et les interfaces photoniques sur puce. Ronald Hanson a également mentionné dans les communications de QuTech que ce résultat contribue à générer plus rapidement et plus fiablement l’intrication entre nœuds distants, et qu’il est significatif pour la collaboration entre QuTech et Fujitsu visant à faire progresser le calcul quantique modulaire.

Plusieurs défis d’ingénierie restent à résoudre. Les réseaux quantiques nécessitent un grand nombre de dispositifs aux performances uniformes. Les excellents indicateurs d’un échantillon unique doivent être traduits en capacités de fabrication en série, d’accordabilité stable, de fonctionnement à basse température, de couplage par fibre optique, de fiabilité à long terme et de contrôle au niveau système. L’accord en fréquence entre le centre coloré étain-lacune et la cavité à cristal photonique, le contrôle de la position du défaut, la suppression des dommages matériels, la gestion du bruit de décohérence et l’interconnexion de multiples nœuds influenceront l’échelle du système ultérieur. Les résultats de mesure sur 327 dispositifs présentés par QuTech fournissent un signal positif pour la fabricabilité à grande échelle. Le dépassement de la coopérativité cohérente de 1 fait passer la capacité du dispositif d’une « interface luminescente plus brillante » à une « interface capable d’exécuter des protocoles quantiques à haute fidélité ».

Ces travaux de QuTech aux Pays-Bas marquent une avancée de l’interface photonique quantique à centre coloré étain-lacune dans le diamant vers un réseau quantique pratique. Ils ne résolvent pas simplement un problème d’efficacité luminescente, mais celui de la possibilité d’une interaction quantique fiable entre un qubit solide et un photon volant dans des conditions de faible bruit. Alors que le calcul quantique passe d’une seule puce à une architecture modulaire, et que l’internet quantique évolue de liaisons expérimentales à des réseaux multi-nœuds, ce type d’interface lumière-matière efficace, cohérente et évolutive deviendra un élément clé de l’infrastructure matérielle sous-jacente.