Source de photons uniques sur germanium

1. Résumé du projet

La photonique quantique exploite l’intrication des photons pour effectuer des tâches autrement impossibles à réaliser à l’aide des technologies actuelles. Elle promet des outils de mesures, de communication et de calculs aux performances inégalées pour des applications extrêmement variées, allant de l’imagerie biomédicale jusqu’à l’intelligence artificielle en passant par le design de médicaments. La mise en œuvre de ces outils révolutionnaires requiert une source émettant une séquence de photons mutuellement intriqués. La première étape vers la réalisation de telles sources est la fabrication d’une source brillante de photons uniques, ce qui est l’objectif de cette demande.

La photonique quantique intégrée sur silicium est des plus prometteuses à long terme, car elle exploite les procédés utilisés pour la microfabrication électronique à faible coût. À ce jour, l’intégration de milliers de composantes photoniques a été démontrée, faisant du silicium la plateforme idéale pour l’intégration éventuelle de millions de bits quantiques. Pour ces raisons, nous proposons de développer le chainon manquant : une source de photons uniques compatible avec les procédés CMOS.

Malheureusement, le silicium est un piètre émetteur de lumière et, malgré des efforts de recherche colossale, l’absence d’émetteurs efficaces est le principal obstacle limitant l’essor de la photonique sur silicium. Toutefois, il importe d’explorer de nouvelles stratégies, car la réalisation d’une telle source représenterait une percée dont les impacts technologiques seraient majeurs.

Nous proposons de réaliser la première source de photons uniques compatible avec la plateforme photonique sur silicium. Cette source est basée sur le germanium d’une grande pureté chimique et isotopique (74Ge), ce qui permet de protéger les fragiles états quantiques des nombreuses influences délétères présentes dans les matériaux. L’émission est produite par des centres isoélectroniques reconnus comme étant parmi les émetteurs les plus efficaces. La brillance de ces émetteurs est trop faible pour rivaliser avec celles des matériaux à gap direct. Nous proposons deux approches pour d’accélérer significativement l’émission. La première consiste à contraindre mécaniquement le germanium pour refaçonner les états électroniques et favoriser l’émission radiative. La deuxième consiste à ajouter une nanoantenne plasmonique pour accélérer de plusieurs ordres de grandeur le taux d’émission spontanée. Ces approches sont originales et n’ont encore jamais encore été explorées. Nous estimons possible de réaliser un taux d’émission de l’ordre de 10 ou 100 MHz, ce qui représenterait une percée majeure et lèverait le verrou le plus important limitant le développement de la photonique quantique sur silicium.

L’adéquation entre le projet et l’expertise de l’équipe est parfaite et nous retrouvons à Polytechnique l’essentiel de l’infrastructure nécessaire. Considérant l’importance technologique de ce projet, nous ajoutons à notre équipe trois collaborateurs internationaux experts de la détection IR, des nanomembranes contraintes et des nanoantennes plasmoniques. Tous les aspects essentiels sont réunis pour assurer la réussite du projet.

À l’issue de cette subvention, nous allons nous allier avec une entreprise québécoise pour développer davantage cette technologie. À cet effet, notre précédente subvention FRQNT est gage de réussite : nous avons obtenu un financement fédérale de 810k$ impliquant une entreprise montréalaise et 150 k$ auprès d’une fondation privée.