Nanoparticules et informatique quantique : vers un futur lumineux

Des chercheurs du MIT ont mis en lumière des propriétés surprenantes concernant de nouveaux matériaux étudiés en tant que photovoltaïques solaires potentiels. Il semblerait que les nanoparticules de ces matériaux soient capables d’émettre un flux de photons uniques et identiques.

Publiés dans la revue Nature Photonics, ces résultats pourraient jeter les bases de futurs ordinateurs quantiques optiques et éventuellement de dispositifs de téléportation quantique pour la communication.

Traditionnellement, les conceptions d’informatique quantique font appel à des atomes ultra-froids ou à des spins d’électrons individuels pour servir de bits quantiques, ou qubits.

Il y a une vingtaine d’années toutefois, certains chercheurs ont envisagé d’utiliser la lumière plutôt que des objets physiques comme unités de base des qubits. Cela permettrait notamment de se passer de matériel complexe et coûteux pour contrôler les qubits et extraire des données. Selon Alexander Kaplan, étudiant en doctorat, avec des photons agissant comme qubits, on pourrait construire un ordinateur quantique avec une simple optique linéaire.

Une préparation minutieuse des photons

Pour ce faire, il est essentiel que chaque photon corresponde exactement aux caractéristiques quantiques du précédent. Une fois cette correspondance parfaite obtenue, la nécessité de recourir à un équipement complexe disparaît. L’unicité des photons est donc primordiale.

Le professeur Moungi Bawendi explique que ces photons uniques et indiscernables interagissent entre eux. L’indiscernabilité est un aspect essentiel, permettant des interactions non classiques. Pour obtenir des photons possédant des caractéristiques spécifiques, il faut une source extrêmement bien définie sur le plan quantique.

Des pérovskites à halogénure de plomb comme source

C’est là qu’interviennent les pérovskites à halogénure de plomb sous forme de nanoparticules. Connues pour leur taux de rayonnement cryogénique rapide – un rayonnement émis par des objets à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu – elles permettent d’émettre une lumière quantique. Leur rapidité d’émission accroît la probabilité d’obtenir une fonction d’onde bien définie.

Afin de confirmer que les photons générés sont bien indiscernables, les chercheurs ont mené un test standard basé sur l’interférence de deux photons, appelée interférence de Hong-Ou-Mandel (HOM). Cette interférence est au cœur de nombreuses technologies quantiques et son démonstration confirme l’utilité de la source de photons.

Une source prometteuse malgré des améliorations à apporter

Très peu de matériaux peuvent émettre une lumière qui répond à ce test. Bien que la nouvelle source ne soit pas encore parfaite, générant l’interférence HOM seulement la moitié du temps, elle surpasse d’autres sources qui ont du mal à atteindre la scalabilité. Les pérovskites à halogénure de plomb se distinguent par leur préparation en solution et leur simple dépôt sur un substrat. Ces matériaux, bien que non parfaits, sont facilement productibles et peuvent être intégrés dans des dispositifs pour amélioration.

Cette découverte, bien qu’encore à un stade fondamental, ouvre la voie à de nouvelles possibilités pour ces matériaux. La perspective d’intégrer ces émetteurs dans des systèmes réfléchissants appelés cavités optiques est très prometteuse. M. Bawendi affirme que cette intégration augmentera leurs propriétés au niveau de la compétition.

L’équipe de recherche comprenait Chantalle Krajewska, Andrew Proppe, Weiwei Sun, Tara Sverko, David Berkinsky et Hendrik Utzat. Les travaux ont été soutenus par le ministère américain de l’énergie et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.

Légende illustration principale : L’imagerie microscopique montre l’uniformité de la taille des nanocristaux de pérovskite. (Image : avec l’aimable autorisation des chercheurs)

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