Un demi-milliard de photons par seconde depuis un point unique

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Sur une chaîne de montage, les pièces sortent une par une à chaque cycle. Si le cycle est court et que le taux de défauts est faible, la ligne tourne vite. En optique quantique, la source de photons uniques joue ce rôle de chaîne : elle doit émettre exactement un quantum de lumière à chaque cycle, et plus les cycles sont fréquents, plus il y a de photons qui partent dans la fibre optique. Les ingénieurs danois de Sparrow Quantum, avec les physiciens de l'Université de la Ruhr à Bochum, ont construit une chaîne qui effectue 515 millions de pas par seconde, et plus de la moitié des pièces arrivent au bout de la ligne.

Le cœur de la chaîne est une boîte quantique, un îlot minuscule d'arséniure d'indium dans de l'arséniure de gallium. Lorsqu'une impulsion laser l'atteint, elle absorbe l'énergie et, après 220 picosecondes, émet un photon. C'est la durée de vie de l'exciton, la paire liée électron-trou qui naît lors de l'absorption. Tant que la paire ne s'est pas dissociée, la boîte reste silencieuse. Pour éviter que la chaîne ne s'arrête, les impulsions laser sont découpées à une fréquence allant jusqu'à un gigahertz, soit une impulsion par nanoseconde. Pour cela, le faisceau continu traverse deux modulateurs électro-optiques qui s'ouvrent et se ferment sur commande d'une puce programmable.

L'efficacité du système, c'est-à-dire la proportion de photons qui atteignent réellement la fibre monomode, reste au-dessus de la moitié pour les trois fréquences testées : 56,2 % à 80 mégahertz, 53,8 % à 500 mégahertz et 51,5 % à un gigahertz. La pureté des photons uniques, mesurée par l'autocorrélation du second ordre, est respectivement de 3,98 %, 3,63 % et 11,13 %. Cela signifie que sur cent impulsions, seules quelques-unes émettent deux photons à la fois. Après ajout d'un filtre à la fréquence la plus basse, la pureté s'améliore à 2,80 %, et la visibilité de l'interférence à deux photons de Hong-Ou-Mandel passe de 55 % à 92 %, au prix d'une perte de 12 % de lumière.

Le plus surprenant, c'est la méthode de mesure. Le flux de photons est si dense que sa puissance peut être mesurée avec un puissancemètre optique industriel ordinaire, comme ceux qu'utilisent les ingénieurs en télécommunications. À la fréquence d'un gigahertz, la puissance atteint 110 picowatts. C'est neuf millions de fois plus faible que le faisceau d'un pointeur laser, mais l'appareil s'en sort. Auparavant, pour compter les photons, il fallait des détecteurs supraconducteurs refroidis à des températures proches du zéro absolu. Désormais, un appareil commercial suffit, et la mesure ne prend que quelques secondes.

Cette chaîne qui émet un photon par cycle peut déjà accélérer la distribution quantique de clés dans les liaisons par fibre optique, ou servir d'étalon de puissance optique en métrologie. La prochaine étape consiste à raccourcir la durée de vie de l'émetteur pour dépasser le gigahertz, ou à diviser le flux en plusieurs canaux pour des expériences multiphotoniques. Cette source ne nécessite pas de refroidissement cryogénique des détecteurs et fonctionne à température ambiante, ce qui en fait une candidate idéale pour devenir le cheval de trait des futurs réseaux quantiques.