Nouvelles applications pour les microlasers en nano-photonique quantique

Représentation schématique de l'expérience : La lumière du microlaser électriquement pulsé (à gauche) est dirigée via une fibre optique vers la source de photons uniques (à droite). Elle y génère des photons individuels, qui doivent être séparés précisément de la lumière laser à l'aide d'un filtre polarisant. (© Sören Kreinberg/TU Berlin)

La science autour des micro- et nanolasers connaît un engouement mondial. En règle générale, les chercheurs s'intéressent principalement à la physique fondamentale de ces lasers. La question de leur utilité potentielle dans des applications pratiques reste cependant encore floue. « Le fait qu'il n'existe pas encore ou peu d'applications possibles pour les microlasers, est notamment dû au fait qu'ils n'émettent qu'une très faible puissance optique. Par exemple, il faudrait 1000 microlasers pour atteindre la puissance d'une lampe laser de poche », explique le Prof. Dr. Stephan Reitzenstein du département « Optoélectronique et dispositifs quantiques » de l'Institut de physique de la matière condensée de la TU Berlin. « Cependant, des applications intéressantes pourraient être celles où l'on n'a besoin que de très peu de lumière. C'est précisément le cas lors du fonctionnement d'une source de photons uniques. » Le groupe de travail de Stephan Reitzenstein a réussi, dans le cadre de sa bourse ERC Consolidator Grants, à réaliser pour la première fois une « preuve de principe » montrant qu'il est possible d'utiliser un microlaser pour exciter une source de photons uniques, afin d'émettre des photons. « Enfin, cela nous a permis de réunir deux communautés au sein de la physique : d'une part, la science autour des microlasers, et d'autre part, celle des sources de photons uniques. »

Le but principal de cette expérience est notamment l'utilisation de microlasers dans la communication quantique sécurisée contre l'espionnage. Dans le travail publié, le microlaser et la source de photons uniques se trouvaient dans deux pièces différentes — chacune dans un cryostat séparé à quelques dizaines de Kelvin — et étaient reliés par une fibre optique. « Après cette ‘preuve de principe’, la prochaine étape consiste à intégrer les deux composants ‘sur puce’. Autrement dit, à placer le microlaser et la source de photons uniques non pas dans des pièces différentes, mais sur la même puce, de quelques micromètres de large », explique Stephan Reitzenstein.

Le défi de cette expérience consistait notamment à prouver de manière claire que les photons mesurés en sortie proviennent bien de la source de photons uniques — et non du microlaser. En général, un point quantique (source de photons uniques) émet à une longueur d'onde spécifique — par exemple 830 nanomètres — tandis que le laser à une autre longueur d'onde — par exemple 700 nanomètres. Dans ce cas, la distinction entre les photons est relativement simple. « Dans notre cas, le point quantique et le microlaser doivent émettre à la même longueur d'onde exacte. Problème : le microlaser envoie environ un million de fois plus de photons que le point quantique. Il est donc crucial de démontrer que les photons détectés à la fin de l'expérience proviennent bien de la source de photons uniques, et non du laser », décrit Stephan Reitzenstein. Pour cela, son doctorant Sören Kreinberg a développé une configuration optique spéciale permettant de différencier les photons selon leur polarisation. La lumière laser, par exemple, possède une polarisation horizontale. Elle sert à exciter le point quantique. En revanche, le point quantique émet aussi des photons avec une polarisation verticale. « Ce filtre, qui ne laisse passer que les photons avec une polarisation verticale, est placé derrière le point quantique. Ainsi, nous pouvons clairement prouver que les photons détectés proviennent du point quantique », précise-t-il.

Un autre défi important était de trouver un microlaser, développé et fabriqué en collaboration avec le groupe de Prof. Sven Höfling à l'Université de Wurtzbourg, avec une longueur d'onde constante et bien définie, ainsi que la source de photons uniques correspondante. « Contrairement à un laser classique, un microlaser ne possède pas de ‘râteau’ permettant d’ajuster la longueur d’onde. Chaque microlaser émet une lumière à une longueur d’onde spécifique, qui peut varier de quelques nanomètres d’un exemplaire à l’autre. Nous avons besoin d’un laser qui émet toujours à la même longueur d’onde que notre source de photons uniques. Pour cela, mes collaborateurs Sören Kreinberg et Tomislav Grbešić ont dû tester et analyser des centaines de microlasers », explique Stephan Reitzenstein. La raison pour laquelle le microlaser et la source de photons doivent être parfaitement synchronisés réside dans leur utilisation potentielle en communication quantique : « Si le point quantique est excité par une lumière à une longueur d’onde différente, il émettra aussi des photons avec des propriétés légèrement différentes. Ce qui serait inutilisable pour une communication quantique potentielle. »

Spectroscopie quanto-optique d’un système à deux niveaux utilisant un micropilier laser alimenté électriquement comme source d’excitation résonante
Sören Kreinberg, Tomislav Grbešić, Max Strauß, Alexander Carmele, Monika Emmerling, Christian Schneider, Sven Höfling, Xavier Porte et Stephan Reitzenstein
Light : Science & Applications (2018) 7, doi : 10.1038/s41377-018-0045-6