Des chercheurs de l'Université Stanford aux États-Unis ont développé un dispositif de communication quantique nanométrique fonctionnant à température ambiante. Ce dispositif utilise la « lumière tordue » pour connecter le spin des photons au spin des électrons, réalisant l'intrication entre photons et électrons sans nécessiter de refroidissement cryogénique, offrant ainsi une nouvelle voie expérimentale pour la miniaturisation des composants de communication quantique.
Cette recherche répond au défi de la dépendance aux basses températures dans la communication quantique. De nombreux systèmes quantiques actuels nécessitent un environnement proche du zéro absolu pour maintenir l'état quantique, et les équipements de refroidissement sont volumineux et coûteux, limitant également l'intégration des dispositifs quantiques dans des équipements de communication et de calcul plus larges. L'équipe de Stanford a conçu un dispositif composé d'une fine couche de diséléniure de molybdène et d'un substrat de silicium nanostructuré. Grâce aux nanostructures de silicium, les photons sont précisément contrôlés pour se propager de manière hélicoïdale, et cette propriété de spin est transmise aux électrons. Les photons sont adaptés à la transmission d'informations sur de longues distances, tandis que les électrons conviennent au stockage et au traitement de l'information au sein d'une puce ; si un couplage stable peut être établi entre eux, il devient possible de transférer l'information quantique de la liaison de communication vers le dispositif sur puce.
Le diséléniure de molybdène utilisé dans ce dispositif appartient à la famille des dichalcogénures de métaux de transition, possédant des propriétés optiques et quantiques avantageuses. L'équipe de recherche a renforcé et confiné la lumière tordue à l'aide des nanostructures de silicium, créant une connexion plus forte entre le spin des photons et le spin des électrons, stabilisant ainsi l'état quantique utilisable pour la communication. Pour la communication quantique, la stabilité de l'état intriqué, sa capacité à se former dans un dispositif fabricable et son fonctionnement à température ambiante influencent tous la conception ultérieure du système.
La « lumière tordue » n'est pas ici une simple mise en forme de faisceau lumineux, mais un champ lumineux porteur d'informations de spin spécifiques. Les nanostructures permettent aux photons de tourner dans une direction déterminée et d'associer cet état de rotation au spin des électrons dans le matériau. L'état des qubits est sensible aux perturbations environnementales ; si le spin des électrons se perd rapidement, l'information ne peut être transmise efficacement. Grâce à la conception du matériau et de la structure du champ lumineux, l'équipe de Stanford a permis au couplage photon-électron de rester utilisable à température ambiante. Cette approche réduit la dépendance aux grands systèmes cryogéniques et offre des possibilités matérielles plus compactes pour les futures puces de communication quantique, les capteurs quantiques et les systèmes optoélectroniques sur puce. Pour passer à des applications au niveau réseau, il faudra encore développer des sources lumineuses, des modulateurs, des détecteurs, des structures d'interconnexion et des encapsulages système adaptés.
L'équipe de recherche continue d'optimiser les performances du dispositif et explore d'autres dichalcogénures de métaux de transition et combinaisons de matériaux. Le fonctionnement à température ambiante n'est qu'une étape vers la praticité ; pour entrer véritablement dans un réseau quantique, il faudra résoudre des problèmes tels que la cohérence des dispositifs, la fabrication intégrée, la lecture des signaux, le contrôle des erreurs et la stabilité au niveau système. En combinant la lumière tordue, les matériaux bidimensionnels et les nanostructures de silicium dans un même dispositif, l'équipe de Stanford propose une approche expérimentale alternative aux voies cryogéniques traditionnelles pour le matériel de communication quantique.