Métrologie CNRC, l'Université du Colorado à Boulder et le National Institute of Standards and Technology abordent la quantification des technologies quantiques sous un nouvel angle.
Le Système international d'unités
Quel lien y a-t-il entre une longueur de fil et un kilo de beurre? Ou entre une ampoule électrique et la dose d'un médicament? On mesure ces valeurs grâce au Système international d'unités (SI), la version moderne du système métrique, employée dans la réglementation et les normes qui cimentent la société et l'économie. Sans cet indispensable système, l'ordre mondial se morcellerait et notre vie bien ordonnée se désagrégerait.
Les communications et la connexion à Internet sur lesquelles s'appuie désormais la vie de tous les jours dépendent de l'infrastructure mondiale tissée par les technologies de l'information. Or, pour fonctionner, cette infrastructure exige l'étalonnage des appareils ainsi que des normes bien étayées pour garantir la stabilité et la fiabilité de sa performance. Heureusement, les instituts de métrologie comme le Centre de recherche en métrologie du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) maintiennent des étalons nationaux de la plus haute qualité. Ce sont ces étalons qui relient les technologies entre elles à travers le monde, en offrant un point de référence pour la quantification des produits et la caractérisation des dispositifs. C'est ce qu'on appelle la traçabilité SI.
L'expression « photonique intégrée » désigne les micropuces qui produisent, véhiculent, transforment et détectent la lumière (ou les paquets de photons), aujourd'hui en usage partout dans le monde, dans les communications optiques et les fibres qui connectent les centres de données. Au cours des prochaines décennies, les circuits intégrés de photonique quantique redéfiniront ces réseaux en y incorporant des sources et des détecteurs de lumière quantiques qui émettront et capteront un photon à la fois.
Si de nombreux produits commerciaux de communication quantique continuent de voir le jour, il n'en va pas autant des étalons qui devraient les accompagner. Pourtant, avant que l'utilisateur fasse vraiment confiance aux communications quantiques et les intègre aux infrastructures existantes, ces technologies devront être définies par des étalons de quantification et de rendement sanctionnés par l'industrie entière qui garantiront la fiabilité du système et son bon fonctionnement.
Afin d'y remédier, le CNRC s'est allié à l'Université du Colorado à Boulder (CU Boulder) (en anglais seulement) et au National Institute of Standards and Technology (NIST) (en anglais seulement) du Colorado dans le cadre d'un projet de 3 ans intitulé « Advanced Quantum State Measurements for Next Generation Telecommunication Standards » (mesure avancée de l'état quantique pour les normes des télécommunications de demain). Le but du projet consiste à élaborer une méthode de mesure qui rendra les sources quantiques monophotoniques traçables en regard du Système international d'unités.
Cette collaboration est financée par le programme Défi « Réseaux sécurisés à haut débit » (RSHD) du CNRC, qui aide les chercheurs du CNRC et leurs partenaires externes à mettre au point les technologies qui feront une réalité des réseaux de télécommunication ultrarapides de la nouvelle génération et de la génération qui suivra.
Technologie futuriste de la réalité virtuelle et carte de circuits imprimés
« Nos recherches aboutiront à des solutions métrologiques pour les communications quantiques, solutions au moyen desquelles on rehaussera la performance, la fiabilité et la sécurité des futurs réseaux de communication pour les Canadiens », affirme Lynne Genik, directrice du programme Défi RSHD.
La première vague de technologies quantiques nous a déjà donné des dispositifs comme les imageurs par résonance magnétique, les microscopes électroniques, les lasers et les piles solaires. La vague suivante bouleversera sans doute toutes les industries, ou presque, et engendrera de nouvelles applications comme les télécommunications ultrarapides à très longue portée, les véhicules connectés et la fabrication automatique et adaptable d'appareils.
S'unir pour obtenir des résultats
« Nous travaillons sur une approche de mesure unique pour les sources monophotoniques destinées à la photonique quantique », déclare Angela Gamouras, une agente de recherche au Centre de recherche en quantique et en nanotechnologies du CNRC (anciennement au Centre de recherche en métrologie du CNRC). « Collaborer avec la CU Boulder et le NIST n'est qu'un premier pas vers la caractérisation de ces dispositifs, qu'on ne pourra vraisemblablement bientôt plus dissocier de notre infrastructure. »
Le groupe d'optique quantique du CNRC cumulent plus de 20 ans d'expérience dans la mise au point de sources monophotoniques à points quantiques, employées notamment pour sécuriser les communications et traiter l'information. Angela aura pour tâche de combiner de telles sources au capteur spécial, d'une grande photosensibilité, sur lequel travaillent la CU Boulder et le NIST.
« Nous utilisons les dispositifs conçus au Canada pour élaborer des étalons en photonique quantique, explique-t-elle. Nos collaborateurs de Boulder ont développé un capteur sur puce qui mesure directement la puissance optique de la lumière. Nous en porterons la sensibilité à ses limites en tentant de quantifier directement la puissance d'une source monophotonique à point quantique créée au CNRC. »
La CU Boulder et le NIST n'en sont pas à leur premier détecteur, et de loin. Ils disposent aussi d'installations de fabrication ultramodernes. Le CNRC aura donc accès aux installations indispensables à la fabrication de dispositifs électroniques recourant aux supraconducteurs et à la cryogénie, de même qu'à des installations à la fine pointe de la technologie pour le placement des nanotubes de carbone.
Durant la prochaine année, Angela collaborera avec la CU Boulder et le NIST pour vérifier les étalons de puissance optique avec le tout nouveau capteur photonique. Quand tout aura été mis en place dans leur laboratoire, les chercheurs du CNRC y accueilleront leur collègue de l'Université du Colorado. « Nous intégrerons le capteur ultrasensible et la source monophotonique au système de mesure », reprend Angela. « Si tout se déroule comme prévu, nous caractériserons alors en direct la puissance optique d'une source monophotonique pour la toute première fois. »
À long terme, l'objectif de ce travail consiste à combiner les normes des composants aux normes d'étalonnage pour vérifier la performance du système sur des puces intégrées et, au bout du compte, déployer dans l'infrastructure de l'Internet quantique canadien des dispositifs qui s'étalonneront et se valideront eux-mêmes afin de garantir la fiabilité et la stabilité des réseaux quantiques.
Vous aimeriez en savoir plus sur ce que l'avenir réserve à la photonique intégrée? Lisez l'article 2022 Roadmap on Integrated Photonics (en anglais seulement), récemment publié dans Journal of Physics: Photonics.
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