Par David L. Chandler, Institut de technologie du Massachusetts
25 juin 2023
Des chercheurs du MIT ont découvert que de nouvelles nanoparticules photovoltaïques peuvent émettre des flux de photons identiques, ouvrant potentiellement la voie à de nouvelles technologies de calcul quantique et à des dispositifs de téléportation quantique.
Le dispositif émet un flux de photons uniques et pourrait servir de base aux ordinateurs quantiques optiques.
En utilisant de nouveaux matériaux qui ont été largement étudiés en tant que nouveaux dispositifs solaires photovoltaïques potentiels, des chercheurs du MIT ont montré que les nanoparticules de ces matériaux peuvent émettre un flux de photons uniques et identiques.
Bien que ces travaux constituent actuellement une découverte fondamentale des capacités de ces matériaux, ils pourraient à terme ouvrir la voie à de nouveaux ordinateurs quantiques basés sur l’optique, ainsi qu’à d’éventuels dispositifs de téléportation quantique pour la communication, selon les chercheurs. Les résultats ont été publiés le 22 juin dans la revue Nature Photonics, dans un article rédigé par Alexander Kaplan, étudiant diplômé, Moungi Bawendi, professeur de chimie, et six autres chercheurs du MIT.
L’imagerie microscopique montre l’uniformité de la taille des nanocristaux de pérovskite. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
La plupart des concepts d’informatique quantique utilisent des atomes ultrafroids ou les spins d’électrons individuels comme bits quantiques, ou qubits, qui constituent la base de ces dispositifs. Mais il y a une vingtaine d’années, certains chercheurs ont proposé l’idée d’utiliser la lumière au lieu d’objets physiques comme unités de base des qubits. Entre autres avantages, cela éliminerait la nécessité d’un équipement complexe et coûteux pour contrôler les qubits et pour entrer et extraire des données. Au lieu de cela, des miroirs ordinaires et des détecteurs optiques suffiraient.
« Avec ces photons semblables à des qubits, explique M. Kaplan, il est possible de construire un ordinateur quantique à l’aide d’une simple optique linéaire « domestique », à condition d’avoir des photons correctement préparés.
La préparation de ces photons est l’élément clé. Chaque photon doit correspondre précisément aux caractéristiques quantiques du précédent, et ainsi de suite. Une fois cette correspondance parfaite obtenue, « le grand changement de paradigme consiste alors à passer de la nécessité d’une optique très sophistiquée, d’un équipement très sophistiqué, à la nécessité d’un équipement simple. Ce qui doit être spécial, c’est la lumière elle-même ».
Ensuite, explique Bawendi, ils prennent ces photons uniques qui sont identiques et indiscernables les uns des autres, et ils les font interagir entre eux. Cette indiscernabilité est cruciale : si vous avez deux photons, et que « tout est identique à leur sujet, et que vous ne pouvez pas dire numéro un et numéro deux, vous ne pouvez pas les suivre de cette façon. C’est ce qui leur permet d’interagir de certaines manières non classiques ».
Selon Kaplan, « si nous voulons que le photon ait cette propriété très spécifique d’être très bien défini en termes d’énergie, de polarisation, de mode spatial, de temps, toutes les choses que nous pouvons coder en mécanique quantique, il faut que la source soit également très bien définie en mécanique quantique ».
La source qu’ils ont fini par utiliser est une forme de nanoparticules de pérovskite plomb-halite. Les films minces de pérovskites de plomb-halide sont très recherchés pour leur potentiel photovoltaïque de la prochaine génération, entre autres parce qu’ils pourraient être beaucoup plus légers et plus faciles à traiter que les photovoltaïques standard actuels à base de silicium. Sous forme de nanoparticules, les pérovskites à base d’halogénure de plomb se distinguent par leur taux radiatif cryogénique extrêmement rapide, qui les distingue des autres nanoparticules semi-conductrices colloïdales. Plus la lumière est émise rapidement, plus la sortie a de chances d’avoir une fonction d’onde bien définie. Les taux radiatifs rapides placent donc les nanoparticules de pérovskite d’halogénure de plomb dans une position unique pour émettre de la lumière quantique.
Pour vérifier que les photons qu’elles génèrent possèdent réellement cette propriété indiscernable, un test standard consiste à détecter un type spécifique d’interférence entre deux photons, connu sous le nom d’interférence de Hong-Ou-Mandel. Ce phénomène est au cœur d’un grand nombre de technologies quantiques, explique M. Kaplan, et la démonstration de sa présence « a été la marque de fabrique pour confirmer qu’une source de photons peut être utilisée à ces fins ».
Selon lui, très peu de matériaux peuvent émettre de la lumière répondant à ce critère. « Ils se comptent sur les doigts d’une main. Si leur nouvelle source n’est pas encore parfaite, puisqu’elle ne produit l’interférence HOM que la moitié du temps, les autres sources présentent des problèmes importants en termes d’évolutivité. « La raison pour laquelle les autres sources sont cohérentes est qu’elles sont fabriquées avec les matériaux les plus purs et qu’elles sont fabriquées individuellement, un par un, atome par atome. L’évolutivité et la reproductibilité sont donc très faibles », explique M. Kaplan.
En revanche, les nanoparticules de pérovskite sont fabriquées dans une solution et simplement déposées sur un substrat. « Nous les faisons simplement tourner sur une surface, en l’occurrence une surface de verre ordinaire », explique M. Kaplan. « Et nous les voyons adopter ce comportement qui, auparavant, n’était observé que dans les conditions de préparation les plus strictes.
Ainsi, même si ces matériaux ne sont pas encore parfaits, « ils sont très évolutifs, nous pouvons en fabriquer beaucoup, et ils sont actuellement très peu optimisés. Nous pouvons les intégrer dans des dispositifs et les améliorer encore », explique M. Kaplan.
À ce stade, ce travail est « une découverte fondamentale très intéressante », qui montre les capacités de ces matériaux. « L’importance de ce travail réside dans le fait qu’il peut, espérons-le, encourager les gens à chercher comment améliorer encore ces matériaux dans diverses architectures de dispositifs.
Et, ajoute Bawendi, en intégrant ces émetteurs dans des systèmes réfléchissants appelés cavités optiques, comme cela a déjà été fait avec les autres sources, « nous sommes convaincus que l’intégration de ces émetteurs dans une cavité optique portera leurs propriétés au niveau de la concurrence ».
Référence : « Hong-Ou-Mandel interference in colloidal CsPbBr3 perovskite nanocrystals » par Alexander E. K. Kaplan, Chantalle J. Krajewska, Andrew H. Proppe, Weiwei Sun, Tara Sverko, David B. Berkinsky, Hendrik Utzat et Moungi G. Bawendi, 22 juin 2023, Nature Photonics.
DOI: 10.1038/s41566-023-01225-w
L’équipe de recherche comprenait Chantalle Krajewska, Andrew Proppe, Weiwei Sun, Tara Sverko, David Berkinsky et Hendrik Utzat. Les travaux ont été soutenus par le ministère américain de l’énergie et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.