Un alignement précis des points quantiques avec les composants photoniques est essentiel pour extraire le rayonnement émis par les points. Dans cette illustration, un point quantique centré dans le « point chaud » optique d’un réseau circulaire (point central dans l’encart) émet plus de lumière qu’un point mal aligné (point décentré dans l’encart). Crédit : S. Kelley/NIST
La microscopie traçable pourrait améliorer la fiabilité des technologies de l’information quantique, de l’imagerie biologique, etc.
Les dispositifs qui captent la lumière brillante de millions de points quantiques, notamment les lasers à l’échelle d’une puce et les amplificateurs optiques, sont passés des expériences en laboratoire aux produits commerciaux. Mais les nouveaux types de dispositifs à points quantiques ont été plus lents à arriver sur le marché car ils nécessitent un alignement extraordinairement précis entre les points individuels et les optiques miniatures qui extraient et guident le rayonnement émis.
Percée dans l'alignement des points quantiques
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont développé des standards et des étalonnages pour les microscopes optiques qui permettent d'aligner les points quantiques avec le centre d'un composant photonique avec une erreur de 10 à 20 nanomètres (environ un -millième de l'épaisseur d'une feuille de papier). Un tel alignement est essentiel pour les dispositifs à l'échelle d'une puce qui utilisent le rayonnement émis par les points quantiques pour stocker et transmettre des informations quantiques.
Améliorer les performances des appareils quantiques
Pour la première fois, les chercheurs du NIST ont atteint ce niveau de précision sur toute l’image d’un microscope optique, leur permettant de corriger les positions de nombreux points quantiques individuels. Un modèle développé par les chercheurs prédit que si les microscopes sont calibrés à l’aide des nouvelles normes, le nombre d’appareils hautes performances pourrait alors être multiplié par cent.
Cette nouvelle capacité pourrait permettre aux technologies de l’information quantique qui émergent lentement des laboratoires de recherche d’être étudiées de manière plus fiable et efficacement développées en produits commerciaux.
Défis et solutions d’étalonnage
En développant leur méthode, Craig Copeland, Samuel Stavis et leurs collaborateurs, notamment des collègues du Joint Quantum Institute (JQI), un partenariat de recherche entre le NIST et l'Université du Maryland, ont créé des étalons et des étalonnages traçables au Système international d'unités. (SI) pour les microscopes optiques utilisés pour guider l’alignement des points quantiques.
« L'idée apparemment simple de trouver un point quantique et d'y placer un composant photonique s'avère être un problème de mesure délicat », a déclaré Copeland.
Corriger les erreurs de mesure microscopique
Dans une mesure typique, les erreurs commencent à s'accumuler à mesure que les chercheurs utilisent un microscope optique pour trouver l'emplacement de points quantiques individuels, qui résident à des emplacements aléatoires sur la surface d'un matériau semi-conducteur. Si les chercheurs ignorent le retrait des matériaux semi-conducteurs aux températures ultra-froides auxquelles les points quantiques fonctionnent, les erreurs s’accentuent. Pour compliquer encore les choses, ces erreurs de mesure sont aggravées par des inexactitudes dans le processus de fabrication que les chercheurs utilisent pour fabriquer leurs étalons d'étalonnage, ce qui affecte également le placement des composants photoniques.
Innovations méthodologiques du NIST
La méthode NIST, décrite par les chercheurs dans un article mis en ligne sur Optique Quantique le 18 mars, identifie et corrige ces erreurs, qui étaient auparavant négligées.
Illustration montrant comment l'étalonnage traçable d'un microscope optique peut corriger les imperfections de l'instrument qui entraîneraient autrement un désalignement des points quantiques avec les composants photoniques. Crédit : S. Kelley/NIST
L'équipe du NIST a créé deux types d'étalons traçables pour calibrer les microscopes optiques : d'abord à température ambiante pour analyser le processus de fabrication, puis à des températures cryogéniques pour mesurer l'emplacement des points quantiques. S'appuyant sur leurs travaux antérieurs, la norme de température ambiante comprenait un ensemble de à l'échelle nanométrique trous espacés d’une distance définie dans un film métallique.
Les chercheurs ont ensuite mesuré les positions réelles des trous avec un microscope à force atomique, garantissant que les positions étaient traçables jusqu'au SI. En comparant les positions apparentes des trous vues par le microscope optique avec les positions réelles, les chercheurs ont évalué les erreurs liées à l'étalonnage du grossissement et à la distorsion de l'image du microscope optique. Le microscope optique calibré pourrait ensuite être utilisé pour mesurer rapidement d’autres normes fabriquées par les chercheurs, permettant ainsi une analyse statistique de la précision et de la variabilité du processus.
« De bonnes statistiques sont essentielles à chaque maillon d'une chaîne de traçabilité », a déclaré Adam Pintar, chercheur au NIST et co-auteur de l'article.
En étendant leur méthode aux basses températures, l’équipe de recherche a calibré un microscope optique ultra-froid pour l’imagerie de points quantiques. Pour effectuer cet étalonnage, l’équipe a créé un nouvel étalon de microscopie : un ensemble de piliers fabriqués sur une plaquette de silicium. Les scientifiques ont travaillé avec du silicium car le retrait du matériau à basse température a été mesuré avec précision.
Surmonter les distorsions optiques à basses températures
Les chercheurs ont découvert plusieurs pièges lors de l’étalonnage du grossissement des microscopes optiques cryogéniques, qui ont tendance à présenter une distorsion d’image plus grave que les microscopes fonctionnant à température ambiante. Ces imperfections optiques plient les images de lignes droites en courbes noueuses que l'étalonnage redresse efficacement. Si elle n'est pas corrigée, la distorsion de l'image provoque d'importantes erreurs dans la détermination de la position des points quantiques et dans l'alignement des points dans les cibles, les guides d'ondes ou d'autres dispositifs de contrôle de la lumière.
« Ces erreurs ont probablement empêché les chercheurs de fabriquer des appareils qui fonctionnent comme prévu », a déclaré Marcelo Davanco, chercheur au NIST et co-auteur de l'article.
Amélioration des dispositifs à points quantiques et applications futures
Les chercheurs ont développé un modèle détaillé des erreurs de mesure et de fabrication lors de l’intégration de points quantiques avec des composants photoniques à l’échelle d’une puce. Ils ont étudié comment ces erreurs limitent la capacité des dispositifs à points quantiques à fonctionner comme prévu, trouvant le potentiel d'une amélioration par cent.
« Un chercheur peut être heureux si un appareil sur cent fonctionne pour sa première expérience, mais un fabricant peut avoir besoin de quatre-vingt-dix-neuf appareils sur cent pour fonctionner », a noté Stavis. « Notre travail constitue un pas en avant dans cette transition du laboratoire à la fabrique. »
Au-delà des dispositifs à points quantiques, les normes et étalonnages traçables en cours de développement au NIST pourraient améliorer la précision et la fiabilité dans d'autres applications exigeantes de la microscopie optique, telles que l'imagerie des cellules cérébrales et la cartographie des connexions neuronales. Pour ces projets, les chercheurs cherchent également à déterminer les positions précises des objets étudiés sur l’ensemble d’une image microscopique. En outre, les scientifiques devront peut-être coordonner les données de position provenant de différents instruments à différentes températures, comme c'est le cas pour les dispositifs à points quantiques.
