La conversion de fréquence quantique, cruciale pour un Internet quantique mondial, est avancée par le projet HiFi, qui s'attaque aux discordances de longueur d'onde et stabilise les communications quantiques. Crédit : Issues.fr.com
Fraunhofer IAF atteint une puissance de sortie record avec VECSEL pour les convertisseurs de fréquence quantiques.
L'expansion de la fibre optique progresse dans le monde entier, ce qui non seulement augmente la bande passante des connexions Internet conventionnelles, mais rapproche également la réalisation d'un Internet quantique mondial. L’Internet quantique peut permettre d’exploiter pleinement le potentiel de certaines technologies. Ceux-ci incluent beaucoup plus puissants l'informatique quantique grâce à la liaison des processeurs et des registres quantiques, une communication plus sécurisée grâce à la distribution de clés quantiques ou des mesures de temps plus précises grâce à la synchronisation des horloges atomiques.
Cependant, les différences entre la norme de fibre de verre de 1 550 nm et les longueurs d’onde du système des différents bits quantiques (qubits) réalisés jusqu’à présent représentent un obstacle, car ces qubits se situent pour la plupart dans le domaine spectral visible ou proche infrarouge. Les chercheurs souhaitent surmonter cet obstacle grâce à la conversion de fréquence quantique, qui peut modifier spécifiquement les fréquences des photons tout en conservant toutes les autres propriétés quantiques. Cela permet la conversion vers la plage de télécommunications de 1 550 nm pour une transmission à longue portée et à faible perte d’états quantiques.
Configuration VECSEL pour le développement d'une source de pompe à faible bruit pour la conversion de fréquence quantique. Crédit : © Fraunhofer IAF
Projet HiFi : Technologies habilitantes pour la conversion de fréquence quantique
Dans le cadre du projet commun « HiFi — Convertisseur de fréquence quantique hautement intégré de la plus haute fidélité basé sur une technologie innovante de laser, de fibre et de production » financé par le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF), les chercheurs travaillent à la réalisation de toutes les technologies nécessaires pour fournir des convertisseurs de fréquence quantique (QFK) à haut rendement et à faible bruit pour les pistes de test initiales. L'Institut Fraunhofer de physique appliquée du solide (IAF) a contribué au projet en développant avec succès des lasers à disque (également connus sous le nom de lasers à émission de surface à cavité externe verticale, VECSEL) basés sur l'antimonide de gallium (GaSb). Il s'agit de lasers à semi-conducteurs à émission de surface, pompés optiquement, dotés d'un résonateur externe et d'un filtre intracavité pour la sélection de longueur d'onde.
Module VECSEL monomode avec une puissance de sortie jusqu'à 2,4 W pour la plage de fréquence comprise entre 1,9 et 2,5 µm, développé comme source de pompe pour les convertisseurs de fréquence quantiques. Crédit : © Fraunhofer IAF
Puissance de sortie de 2,4 W avec stabilité de fréquence absolue inférieure à 100 kHz
« Les VECSEL que nous avons développés dans le cadre de HiFi sont des sources de pompe spectralement à bande étroite qui, en fonction de la longueur d'onde de sortie des qubits utilisés, couvrent spécifiquement une longueur d'onde comprise entre 1,9 et 2,5 µm et atteignent une puissance de sortie allant jusqu'à 2,4 W avec une valeur absolue. stabilité de longueur d'onde inférieure à 2 fm. Cela correspond à une stabilité de fréquence inférieure à 100 kHz et se situe clairement en dessous de la classe de stabilité de fréquence 1E-9. Le résultat représente un record international pour ce type de laser », explique le Dr Marcel Rattunde, coordinateur du sous-projet HiFi et chef du département d'optoélectronique du Fraunhofer IAF.
« Le résultat a été rendu possible grâce à l'étroite coopération avec le partenaire du projet MENLO Systems GmbH. Ensemble, nous avons verrouillé le disque laser sur un peigne de fréquence, lui-même couplé à une référence de 10 MHz », souligne Rattunde.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont réglé la longueur d'onde d'émission exactement sur la longueur d'onde cible pour des expériences de démonstration sur la liaison fibre optique de l'Université de la Sarre (2062,40 nm), à laquelle Fraunhofer IAF a remis le module laser. Outre l'échelle de puissance, les tâches de recherche les plus importantes du Fraunhofer IAF dans le projet HiFi sont la compréhension précise du comportement modal des lasers ainsi que l'identification et l'élimination des sources de bruit.
Conversion de fréquence quantique à l'aide de lasers à pompe
En conversion de fréquence quantique, l'énergie de la pompe photon est soustrait du photon signal par un processus de différence de fréquence dans un cristal optique non linéaire. Pour garantir un processus à faible bruit, l'énergie des photons de pompe doit être inférieure à la longueur d'onde cible (généralement 1 550 nm), sinon le laser de pompe peut générer des photons dans le signal de sortie en raison d'effets parasites.
En combinaison avec le peigne de fréquence MENLO, les VECSEL développés au Fraunhofer IAF répondent aux exigences élevées de conversion de fréquence quantique, car leur bande passante étroite et leur stabilité de longueur d'onde empêchent les fluctuations de la longueur d'onde de la pompe et, par conséquent, les modifications de la longueur d'onde cible des qubits. S’il y avait un écart au-dessus de la largeur naturelle de la ligne, les qubits ne seraient plus impossibles à distinguer, ce qui éliminerait une exigence fondamentale d’un traitement mécanique quantique ultérieur.
