Illustration du processus de diffusion de la lumière à l’intérieur de la cavité directement vers le guide d’ondes grâce à l’interaction entre les domaines optique et mécanique. Crédit : André García Primo/UNICAMP
Une étude révolutionnaire introduit des cavités optomécaniques nanométriques avancées, ouvrant la voie à des réseaux quantiques plus efficaces et améliorant l’informatique quantique et des technologies de communication.
La capacité de transmettre des informations de manière cohérente dans la bande du spectre électromagnétique allant des micro-ondes à l’infrarouge est d’une importance vitale pour le développement des réseaux quantiques avancés utilisés dans l’informatique et les communications.
Une étude menée par des chercheurs de l’Université d’État de Campinas (UNICAMP) au Brésil, en collaboration avec des collègues de l’ETH Zurich en Suisse et de la TU Delft aux Pays-Bas, s’est concentrée sur l’utilisation de cavités optomécaniques nanométriques à cette fin. Ces à l’échelle nanométrique les résonateurs favorisent l’interaction entre les vibrations mécaniques à haute fréquence et la lumière infrarouge aux longueurs d’onde utilisées par l’industrie des télécommunications.
Un article sur l’étude a été publié récemment dans la revue Communications naturelles.
Relier les circuits supraconducteurs et les fibres optiques
« Les résonateurs nanomécaniques agissent comme des ponts entre les circuits supraconducteurs et les fibres optiques. Les circuits supraconducteurs font actuellement partie des technologies les plus prometteuses pour l’informatique quantique, tandis que les fibres optiques sont couramment utilisées comme transmetteurs d’informations à longue distance avec peu de bruit et aucune perte de signal », a déclaré Thiago Alegre, professeur à l’Institut de physique Gleb Wataghin (IFGW). -UNICAMP) et dernier auteur de l’article.
Selon Alegre, l’une des innovations clés de l’étude a été l’introduction de l’optomécanique dissipative. Les dispositifs optomécaniques traditionnels reposent sur une interaction purement dispersive, dans laquelle seuls les photons confinés dans la cavité sont efficacement dispersés. Dans l’optomécanique dissipative, les photons peuvent être diffusés directement du guide d’ondes au résonateur. « L’interaction optoacoustique peut ainsi être contrôlée plus étroitement », a-t-il déclaré.
Atteindre des fréquences mécaniques plus élevées en optomécanique
Avant cette étude, l’interaction optomécanique dissipative n’avait été démontrée qu’à basses fréquences mécaniques, excluant des applications importantes telles que le transfert d’état quantique entre les domaines photonique (optique) et phononique (mécanique). L’étude a démontré le premier système optomécanique dissipatif fonctionnant dans un régime dans lequel la fréquence mécanique dépassait la largeur de la raie optique.
«Nous avons réussi à augmenter la fréquence mécanique de deux ordres de grandeur et à décupler le taux de couplage optomécanique. Cela offre des perspectives très prometteuses pour le développement de dispositifs encore plus efficaces », a déclaré Alegre.
Construire des réseaux quantiques
Fabriqués en collaboration avec la TU Delft, les appareils ont été conçus pour utiliser des technologies bien établies dans l’industrie des semi-conducteurs. Des faisceaux nanométriques de silicium étaient suspendus et libres de vibrer, de sorte que la lumière infrarouge et les vibrations mécaniques soient confinées simultanément. Un guide d’onde placé latéralement et positionné pour permettre le couplage de la fibre optique à la cavité a donné lieu à un couplage dissipatif, ingrédient clé des résultats présentés par les chercheurs.
L’étude offre de nouvelles possibilités pour la construction de réseaux quantiques. Outre cette application immédiate, il pose les bases de futures recherches fondamentales. « Nous espérons pouvoir manipuler les modes mécaniques individuellement et atténuer les non-linéarités optiques dans les dispositifs optomécaniques », a déclaré Alegre.
Les autres co-auteurs sont André Garcia Primo, Pedro Vinícius Pinho et Gustavo Silva Wiederhecker, tous également affiliés à l’UNICAMP ; Rodrigo da Silva Benevides à l’ETH Zürich ; et Simon Gröblacher à la TU Delft. L’étude a reçu un financement de la FAPESP à travers sept projets (19/09738-9, 20/15786-3, 19/01402-1, 18/15577-5, 18/15580-6, 18/25339-4 et 22/07719- 0).
