Près d'un siècle après que les semi-conducteurs et les puces en silicium sont devenus la pierre angulaire des technologies informatiques, un nouvel acteur, la photonique quantique, promet de révolutionner à son tour la manière dont le monde fonctionne. En exploitant les états quantiques de la lumière (photons), la photonique quantique propulse le traitement et la détection de l'information au-delà des limites des technologies actuelles.
L'une des technologies clés qui ont permis cette avancée est celle du détecteur de résolution de l'état nombre de photons. Ce nouveau type de détecteur permet des mesures optiques plus précises que jamais et offre aux technologies quantiques de nouvelles façons d'obtenir un « avantage quantique » en vue d'une performance supérieure inédite.
Les détecteurs de résolution de l'état nombre de photons sont utilisés dans diverses applications, notamment la détection et la métrologie quantiques fondées sur la lumière, l'informatique quantique et la mise en réseau quantique afin de permettre des mesures optiques précises. Contrairement aux détecteurs à seuil traditionnels, qui ne font qu'indiquer la présence ou l'absence de photons, ces détecteurs peuvent compter le nombre de photons, même dans une impulsion lumineuse extrêmement faible. En résumé, plus les mesures des photons entrants sont précises, plus vous aurez d'outils de détection.
Seule une poignée de laboratoires dans le monde ont accès à ce genre de détecteurs, dont la performance et l'évolutivité sont limitées. Par exemple, ils ne peuvent détecter la lumière qu'à des fréquences allant jusqu'à 100 kHz ni distinguer plus de 20 photons à la fois.
Le Conseil national de recherches du Canada (CNRC), le seul laboratoire du secteur public au pays à avoir accès à cette technologie, repousse les limites des technologies quantiques basées sur la résolution de l'état nombre de photons. Grâce à des collaborations internationales avec le milieu universitaire et l'industrie, ainsi qu'au financement de Solutions innovatrices Canada et du Programme Défi « Internet des objets : capteurs quantiques » du CNRC, les scientifiques explorent des approches novatrices en détection quantique afin d'en accélérer le développement.
« Xanadu (en anglais seulement), notre partenaire industriel canadien, a conçu pour nous un détecteur de résolution de l'état nombre de photons de nouvelle génération, capable de multiplier par dix la vitesse des capteurs individuels, sans compromettre significativement la résolution du nombre de photons, explique Khabat Heshami, Ph. D., agent de recherches au Centre de recherche en quantique et en nanotechnologies. L'entreprise a également optimisé ses procédés pour produire efficacement des capteurs de 1 MHz et mis à l'échelle les étapes de fabrication, d'assemblage, d'acquisition de données et de traitement des données électroniques pour renforcer sa capacité de production en série des dispositifs. »
Grâce à ce détecteur de nouvelle génération, l'équipe a pu introduire une nouvelle mesure en optique quantique : l'échelle de cohérence en quadrature. Deux publications de recherche récentes montrent le rôle essentiel des détecteurs de résolution de l'état nombre de photons dans le développement d'applications de détection photonique (en anglais seulement) pour une détection aux limites imposées par la physique ou près de celles-ci (en anglais seulement) Note de bas de page 1 Note de bas de page 2.
Un brillant avenir à l'horizon
M. Heshami a introduit ce concept novateur au Canada après avoir travaillé avec le partenaire universitaire du projet, l'Imperial College de Londres (Royaume-Uni) (en anglais seulement). Selon lui et l'équipe britannique dirigée par le professeur Ian Walmsley, éminent spécialiste de l'optique quantique et ultrarapide, cette avancée fondamentale dans la détection des photons va tout bouleverser.
Grâce au financement de Solutions innovatrices Canada et du CNRC, ce groupe multinational explore les théories liées à la détection optique avancée au-delà des limites quantiques. Duncan England, Ph. D., agent de projet et responsable scientifique du CNRC, affirme que « c'est formidable d'être les premiers au monde à exploiter cette technologie pour transformer la manière dont nous mesurons les photons. »
Il souligne toutefois que les activités expérimentales du groupe ne font que commencer et qu'une grande partie de la recherche est menée dans des domaines encore inexplorés. « La recherche quantique en est encore qu'au stade du balbutiement, de sorte qu'une partie des répercussions concrètes pour le grand public ne se feront sentir que dans de nombreuses années. »
Heureusement, le Canada a toujours été à l'avant-garde au chapitre de la technologie quantique, et l'augmentation des collaborations et du soutien montre que le monde peut bénéficier de ce leadership scientifique. M. Heshami ajoute que le potentiel du domaine quantique est reconnu mondialement. De nombreux pays accordent de plus en plus d'importance stratégique au soutien de la technologie quantique.
Le CNRC a l'avantage d'être à la fois un pionnier dans le développement et l'adoption des technologies. « Nous utilisons des technologies fondamentales, comme le détecteur de résolution de l'état nombre de photons, tout en créant de nouvelles applications, indique M. Heshami. Cela signifie que nous bâtissons l'avenir en préparant un marché à grande échelle qui permettra à ces produits d'assurer la place du Canada pour qu'il en tire un avantage économique majeur. » Cela comprend la création d'emplois, la génération de revenus et la formation des meilleurs talents canadiens à tous les échelons.
« Ce projet aura des retombées considérables, affirme Marina Gertsvolf, Ph. D., directrice du programme Défi "Internet des objets : capteurs quantiques". Le financement du programme a permis à Xanadu d'améliorer les performances de ses ordinateurs quantiques photoniques, en mettant sur le marché des solutions d'informatique quantique plus rapides et plus efficaces. De plus, poursuit-elle, les collaborateurs du CNRC ont pu explorer de nouveaux cas d'usage théorique et expérimental en imagerie quantique, en détection et en communications, ce qui pourrait ouvrir la voie à de nouveaux marchés et à de nouvelles applications. »
Ce projet est soutenu par des subventions et des contributions octroyées dans le cadre du Programme de collaboration en sciences, en technologie et en innovation, administré par le Bureau national des programmes du CNRC. Pour en savoir plus sur ce domaine de recherche, veuillez contacter l'équipe du programme Défi « Internet des objets : capteurs quantiques » à NRC.QuantumSensors-CapteursQuantiques.CNRC@nrc-cnrc.gc.ca.