Un nouveau dispositif à l'échelle d'une puce offre un contrôle sans précédent des fréquences laser, un ingrédient clé pour les projets à grande échelle.informatique quantique.
Les chercheurs ont réalisé une avancée importante dans l’informatique quantique en développant un appareil si petit qu’il est presque 100 fois plus fin qu’un cheveu humain.
L'avancée, rapportée dans le journalCommunications naturelles, se concentre sur un nouveau type de modulateur de phase optique conçu pour contrôler avec précision les lasers. Cette capacité est essentielle pour les futurs ordinateurs quantiques, qui s’appuieront sur des milliers, voire des millions de qubits, les unités de base de l’information quantique, pour effectuer des calculs complexes.
Un élément clé de cette réussite réside dans la manière dont les appareils sont fabriqués. Au lieu de s’appuyer sur des composants spécialisés fabriqués à la main, les chercheurs ont utilisé des méthodes de fabrication évolutives similaires à celles des processeurs que l’on trouve dans les ordinateurs, les téléphones, les véhicules et les appareils électroménagers – pratiquement tout ce qui est alimenté à l’électricité (même les grille-pain).
Les travaux ont été dirigés par Jake Freedman, nouveau doctorant au Département de génie électrique, informatique et énergétique de l'Université, aux côtés de Matt Eichenfield, professeur et titulaire de la chaire Karl Gustafson en ingénierie quantique. Ils ont collaboré avec des chercheurs des Sandia National Laboratories, dont le co-auteur principal Nils Otterstrom, pour créer un appareil combinant un encombrement extrêmement réduit et des performances élevées tout en restant abordable pour une production à grande échelle.
La puce fonctionne en générant des vibrations micro-ondes qui oscillent des milliards de fois par seconde, qui sont utilisées pour contrôler la lumière laser avec une précision exceptionnelle.précision.
En exploitant ces vibrations rapides, l’appareil peut ajuster avec précision la phase d’un faisceau laser et générer de nouvelles fréquences laser avec une stabilité et une efficacité élevées. Ces capacités sont considérées comme essentielles pour faire progresser l’informatique quantique, ainsi que pour les applications émergentes en matière de détection quantique et de réseaux quantiques.
Pourquoi les ordinateurs quantiques dépendent d'un contrôle précis de la fréquence optique
Parmi les principales approches de l’informatique quantique figurent les systèmes à ions piégés et à atomes neutres piégés, qui stockent les informations dans des atomes individuels.
Pour faire fonctionner ces qubits, les chercheurs « parlent » chacunatomeen utilisant des faisceaux laser précis, leur permettant de donner les instructions pour effectuer des calculs.
La fréquence de chaque laser doit être réglée avec une extrême précision, souvent à l'intérieur d'un milliardième de pour cent, voire même moins.
"Créer de nouvelles copies d'un laser avec des différences de fréquence très exactes est l'un des outils les plus importants pour travailler avec des ordinateurs quantiques basés sur les atomes et les ions", a déclaré Freedman. "Mais pour y parvenir à grande échelle, vous avez besoin d'une technologie capable de générer efficacement ces nouvelles fréquences."
Aujourd’hui, ces changements de fréquence sont effectués à l’aide d’appareils de table encombrants qui consomment des quantités importantes d’énergie micro-ondes.
Les configurations actuelles fonctionnent bien pour les petites expériences en laboratoire et les ordinateurs quantiques avec un petit nombre de qubits, mais elles ne peuvent pas s'adapter aux dizaines ou centaines de milliers de canaux optiques requis pour les futurs ordinateurs quantiques.
"Vous n'allez pas construire un ordinateur quantique avec 100 000 modulateurs électro-optiques en vrac dans un entrepôt rempli de tables optiques", a déclaré Eichenfield. "Vous avez besoin de moyens beaucoup plus évolutifs pour les fabriquer, sans avoir besoin d'être assemblés à la main et avec de longs chemins optiques. Pendant que vous y êtes, si vous pouvez les faire tenir sur quelques petites puces et produire 100 fois moins de chaleur, vous avez beaucoup plus de chances de le faire fonctionner. "
Le dispositif peut générer de nouvelles fréquences de lumière grâce à une modulation de phase efficace qui consomme environ 80 fois moins d’énergie micro-ondes que de nombreux modulateurs commerciaux.
Utiliser moins d’énergie réduit la chaleur et permet de placer beaucoup plus de canaux à proximité les uns des autres, même sur une seule puce.
Ensemble, ces fonctionnalités transforment la puce en un système puissant et évolutif permettant de gérer la danse complexe que les atomes doivent exécuter pour effectuer des calculs quantiques.
Construit à l'aide de la technologie de fabrication la plus évolutive au monde
L’un des aspects les plus significatifs du projet est qu’il a été entièrement produit dans une « usine » ou fonderie, le même type d’installation utilisé pour fabriquer des produits microélectroniques avancés.
"La fabrication CMOS est la technologie la plus évolutive jamais inventée par l'homme", a déclaré Eichenfield.
"Chaque puce microélectronique de chaque téléphone portable ou ordinateur contient des milliards de transistors essentiellement identiques. Ainsi, en utilisant la fabrication CMOS, à l'avenir, nous pourrons produire des milliers, voire des millions de versions identiques de nos dispositifs photoniques, ce qui est exactement ce dont aura besoin l'informatique quantique."
Selon Otterstorm, ils ont pris des dispositifs modulateurs, auparavant coûteux et gourmands en énergie, et les ont rendus plus efficaces et moins encombrants.
"Nous contribuons à pousser l'optique vers sa propre 'révolution des transistors', en s'éloignant de l'équivalent optique des tubes à vide pour se tourner vers des technologies photoniques intégrées évolutives", a déclaré Otterstorm.
L’équipe développe actuellement des circuits photoniques entièrement intégrés qui combinent la génération de fréquence, le filtrage et la sculpture d’impulsions sur la même puce, rapprochant ainsi de la réalité l’objectif d’une puce opérationnelle complète.
À l’avenir, ils collaboreront avec des sociétés d’informatique quantique pour tester des versions de ces puces dans des ordinateurs quantiques de pointe à atomes piégés et à atomes neutres piégés.
"Cet appareil est l'une des dernières pièces du puzzle", a déclaré Freedman. "Nous nous rapprochons d'une plateforme photonique véritablement évolutive, capable de contrôler un très grand nombre de qubits."
Référence : « Modulation de phase acousto-optique à fréquence gigahertz de la lumière visible dans un circuit photonique fabriqué par CMOS » par Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer, Sebastian Magri, Nils T. Otterstrom et Matt Eichenfield, 8 décembre 2025,Communications naturelles.
DOI : 10.1038/s41467-025-65937-z
Ce projet a été soutenu par le Département américain de l'énergie à travers leAccélérateur de systèmes quantiquesprogramme, un centre de recherche scientifique de la National Quantum Initiative.
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