Les réseaux quantiques promettent des communications sécurisées et du calcul distribué, mais il leur manque une mémoire intégrable sur puce et fonctionnant à la longueur d'onde de la fibre optique. Les ensembles atomiques stockent bien les photons, mais occupent toute une table optique. Les analogues à l'état solide soit ne tombent pas dans la gamme des télécoms, soit ne savent pas restituer l'information à la demande. Dans les archives voisines, on trouve des travaux sur des pièges à lumière, des tampons pour l'internet quantique et le refroidissement de disques mécaniques : tous cherchent un moyen de retenir un état quantique dans un dispositif compact. Cet article s'inscrit dans la même veine, mais mise sur les vibrations mécaniques d'un nanopont.
Dans un cryostat à 20 mK se trouve un cristal optomécanique en silicium : un résonateur optique à 1538 nm est couplé à un mode mécanique à 5314 MHz. Un laser accordé sur la résonance latérale rouge crée une fenêtre de transparence grâce à la transparence induite optomécaniquement (OMIT). Les photons de signal, obtenus par modulation du même laser, entrent dans cette fenêtre et se transforment en phonons. Pour éviter l'échauffement, l'impulsion d'écriture est longue et faible, tandis que l'impulsion de lecture est courte. Quatre étalons de Fabry-Perot en cascade éliminent la lumière de commande, ne laissant que des photons uniques pour le détecteur.
La mémoire a conservé une impulsion photonique pendant 150 ns et l'a restituée sur commande avec une efficacité interne de 4,2 %. Le nombre moyen de phonons dans le résonateur pendant le stockage était de 0,32, soit moins d'un quantum. Lorsque la puissance de l'impulsion de lecture a été réduite à un niveau où l'excitation thermique tombe à 0,17, l'efficacité a chuté à 5×10⁻⁵. Les auteurs soulignent que la faible efficacité ne limite que le taux d'événements, pas la pureté de l'état quantique, car les coïncidences éliminent le bruit.
Ce travail se distingue des articles voisins en ce qu'il démontre pour la première fois une mémoire absorbante sur puce optomécanique dans la gamme des télécoms et près de la limite quantique. Les expériences antérieures avec des membranes restaient en régime classique, et les protocoles d'émission ne convenaient pas aux sources de photons externes. Ici, le signal vient de l'extérieur, est stocké dans un degré de liberté mécanique et est extrait à la demande. Cela relie deux branches : l'optique quantique et la nanomécanique.
La prochaine étape consiste à augmenter le temps de stockage grâce à des écrans acoustiques et à des cristaux optomécaniques bidimensionnels qui évacuent mieux la chaleur. Une intégration avec des sources de photons uniques et des paires intriquées est possible : les coïncidences filtreront le bruit et permettront de tester les protocoles de distribution d'intrication. L'amélioration du facteur de qualité du résonateur et l'adaptation des bandes passantes augmenteront l'efficacité de plusieurs ordres de grandeur.
Ce résultat sera utile pour les répéteurs quantiques et le calcul quantique distribué, où l'on a besoin d'une mémoire compatible avec la fibre optique et les puces.
Optimiser le régime thermique et les paramètres des impulsions, ajouter un écran acoustique pour prolonger le temps de stockage et tester le fonctionnement avec une source de photons uniques.
Pour la mémoire quantique, le conflit entre efficacité et bruit thermique reste non résolu : une forte lumière de commande chauffe le résonateur, tandis qu'une faible lumière réduit la probabilité d'écriture. Ce travail montre que l'on peut maintenir l'occupation phononique sous l'unité, mais au prix de l'efficacité. Les progrès futurs nécessitent des matériaux avec une meilleure conductivité thermique et des schémas de compression de bande.
La fréquence des vibrations mécaniques du résonateur, 5314 MHz, est cent mille fois plus élevée que celle d'un diapason. À 20 mK, un tel oscillateur ne contient en moyenne aucun phonon thermique.
Dans la série « The Expanse », l'intrication quantique est utilisée pour une communication instantanée à travers le système solaire. De tels réseaux nécessitent une mémoire qui stocke un photon en attendant la confirmation de livraison de l'autre moitié de la paire.