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Circuits quantiques intégrés basés sur des réseaux de guides non-linéaires (INQCA)

- Porteur : Tanzilli Sébastien

- Collaborateurs LPMC : Alibart Olivier, Labonté Laurent, D’Auria Virginia, Bellec Mathieu, Doutre Florent, Sauder Grégory

- Doctorants et Post-Doctroants LPMC : Mazeas Florent, Lunghi Tommaso

- Partenaires : Nadia Belabas (C2N, site Marcoussis) and Sorin Tascu (RAMTECH, Université d’Iasi, Roumanie)

- Soutiens financiers : ANR INQCA (projet ANR-14-CE26-0038), Sciences et technologies des composants nanoélectroniques et nanophotoniques

- Description :

La science de l’information quantique est un champ de recherche qui a établi de nouvelles références en matière de traitement et communication de l’information. En effet, l’utilisation de systèmes quantiques permet d’accroître la sécurité des protocoles d’échanges de données et les capacités de calcul. Aujourd’hui, cette discipline est suffisamment mûre pour s’orienter vers de véritables applications quantiques liées à la simulation, la chimie, les crypto-systèmes et la métrologie. Dans cette perspective, où le changement d’échelle des dispositifs quantiques va de pair avec hautes performances, reconfigurabilité et fiabilité, la photonique quantique intégrée possède un fort potentiel pour la génération et le traitement de l’information quantique sur puce. Ce potentiel a déjà été démontré avec, notamment, la réalisation de sources de paires de photons ultra-efficaces et la manipulation, jusqu’ici basique, d’états quantiques de la lumière. Dans ce contexte, INQCA vise la réalisation et l’optimisation de circuits quantiques, intégrés sur puce de niobate de lithium, permettant d’atteindre une complexité et une flexibilité inégalées en terme de capacités de calcul, de nombre d’états d’entrée et de configuration des propriétés quantiques. L’ambition majeure du projet réside dans l’intégration dense de sources de paires de photons et de réseaux de guides d’ondes couplés et fonctionnalisés, permettant la préparation et le traitement d’états quantiques photoniques, dont les maîtres mots sont grande échelle, flexibilité et fiabilité.

Le niobate de lithium se positionne comme l’un des matériaux les mieux adaptés pour l’exploitation des non-linéarités optiques et électro-optiques. La structuration du niobate permet notamment de générer ultra-efficacement des paires de photons intriqués par fluorescence paramétrique. Il permet aussi de (re)-configurer, à la demande, les propriétés de propagation des guides, ce qui autorise par exemple le routage, sur puce, de photons uniques. Une telle plateforme permet en outre de concevoir et d’intégrer des réseaux possédant un grand nombre de guides et des constantes de couplages judicieusement choisies. D’autre part, les réseaux photoniques sont des outils compacts, flexibles et multiports qui autorisent le contrôle de la propagation et la manipulation de la lumière en régime quantique. Les réseaux photoniques sont des supports de choix pour mettre en œuvre de véritables fonctions quantiques telles que des portes logiques quantiques ou l’émulation de propriétés quantiques de la matière.

En couplant, sur une même puce, le potentiel des réseaux de guides d’ondes et la haute brillance des sources de paires de photons, nous visons le développement de dispositifs quantiques intégrés présentant des propriétés opérant en régime de variables discrètes et continues. Plus spécifiquement, les principaux objectifs sont : (i) observer des effets de coalescence et de routage quantique sur puce, (ii) simuler des opérateurs quantiques via une configuration adéquate des constantes de couplage du réseau, et (iii) générer de l’intrication photonique de dimension élevée. D’autre part, les réseaux photoniques supportent des ondes étendues spatialement se propageant et interférant le long du réseau. Nous envisageons d’exploiter ces ondes étendues pour manipuler des états de la lumière à hautes dimensions, et impliquant plusieurs photons.

Le programme INQCA représente une opportunité unique d’entrer dans une compétition internationale qui débute, en rassemblant des experts français en photonique quantique, que sont le Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC) et le Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN), et le centre roumain RAMTECH, récemment créé, qui possède une expertise technologique de pointe se situant au cœur du projet. Grâce à ce consortium compétitif, ce projet promet une avancée significative dans le domaine des technologies quantiques et de nouvelles perspectives en optique quantique.

Mots-clés

MOSAIQ, QILM