TU Berlin ouvre la voie à la fabrication en série de puces quantiques

Représentation schématique d'une plateforme évolutive composée de sources de lumière quantique, intégrant des points quantiques positionnés avec précision dans des nano-résonateurs.

Prof. Dr. Reitzenstein devant la chambre d'échantillonnage de la machine de lithographie par faisceau d'électrons, utilisée pour fabriquer des nanostructures de haute précision destinées à des sources de lumière quantique évolutives de nouvelle génération.

Les puces quantiques optiques sont considérées comme des éléments clés des technologies de communication et d'informatique futures. Leur fabrication était jusqu'à présent complexe, car les sources nécessaires pour produire des particules de lumière individuelles – appelées points quantiques semi-conducteurs – apparaissaient de manière aléatoire sur la puce et devaient d'abord être localisées avec précision. Des chercheurs de l'Université technique de Berlin ont désormais développé une solution à ce problème : grâce à des « induceurs » contrôlés intégrés dans le substrat, ils peuvent générer des contraintes matérielles à la surface de manière précise, ce qui permet de faire croître des atomes artificiels sous forme de points quantiques semi-conducteurs aux endroits souhaités. Ils créent ainsi la base d'une fabrication évolutive et compatible avec l'industrie de puces quantiques optiques.

Les travaux ont été réalisés sous la direction du Prof. Stephan Reitzenstein au sein du groupe de travail « Optoélectronique et composants quantiques » à l’Institut de physique et d’astronomie de l’TU Berlin, en collaboration avec des chercheurs de l’Université Carl von Ossietzky d’Oldenburg. Les scientifiques ont développé une nouvelle architecture de puce quantique, dans laquelle les fameux points quantiques – structures semi-conductrices nanoscopiques pour la génération de particules de lumière – sont intégrés avec précision à des positions prédéfinies dans la puce. Les résultats ont été publiés dans la revue Light: Science & Applications.

Du hasard à la fabrication ciblée

Les points quantiques sont considérés comme des sources prometteuses de particules de lumière uniques (photons). Ces particules sont une base importante pour des applications futures telles que la communication quantique inviolable, les réseaux quantiques, la nanomédecine ou les ordinateurs quantiques photoniques. Jusqu’à présent, un problème central apparaissait déjà lors de la fabrication : les points quantiques se formaient de manière aléatoire lors du processus de croissance sur le matériau semi-conducteur. Les chercheurs devaient donc d’abord identifier laborieusement les points quantiques appropriés avant de pouvoir fabriquer les structures photoniques autour. « Pour un seul démonstrateur, cette méthode a été très efficace. Mais si l’on veut produire de nombreuses sources de lumière quantique de qualité comparable sur une seule puce, la position aléatoire des points quantiques devient un obstacle majeur », explique Kartik Gaur, qui a développé ces composants quantiques dans le cadre de sa thèse. « Notre approche consiste à déplacer cette étape dans la croissance cristalline : les points quantiques se forment là où ils seront également nécessaires dans le composant photonique. »

Le groupe de travail du Prof. Reitzenstein a ainsi développé une méthode qui détermine la position des points quantiques dès la croissance du cristal. Cela est rendu possible grâce à une couche spéciale, dissimulée dans le substrat de la puce, qui génère des contraintes matérielles très précises, contrôlant ainsi la croissance des points quantiques. Ensuite, ces points sont intégrés directement dans des résonateurs nanophotoniques, qui collectent l’éclairement généré de manière très efficace et le mettent à disposition pour des applications en technologie quantique.

Haute efficacité et qualité reproductible

Grâce à cette nouvelle méthode, les chercheurs ont fabriqué un réseau 6x6 de 36 sources de lumière quantique, dont tous les composants étaient fonctionnels. Ils ont ainsi atteint une reproductibilité excellente, rarement observée dans la photonique quantique à base de semi-conducteurs. « La véritable importance de ce travail ne réside pas seulement dans le taux élevé de composants produits », indique Reitzenstein. « Ce qui compte, c’est que nous pouvons montrer comment réaliser des sources de lumière quantique performantes, avec une qualité contrôlable et une haute reproductibilité, sur une seule puce semi-conductrice. Cela répond à un défi central de la photonique quantique : passer de démonstrateurs de laboratoire individuels à des plateformes évolutives et technologiquement exploitables pour les futurs systèmes quantiques. »

Fondements pour la prochaine génération de puces quantiques

De plus, l’équipe de recherche a étudié en détail comment de minuscules écarts dans la position des points quantiques influencent la performance des composants. Pour cela, ils ont combiné diverses techniques d’imagerie, de spectroscopie et de mesure quantique avec des simulations numériques. Les travaux théoriques ont été menés par le groupe du Prof. Christopher Gies à l’Université Carl von Ossietzky d’Oldenburg. Les modélisations expliquent comment la position précise des points quantiques affecte les propriétés des particules de lumière générées et fournissent des lignes directrices importantes pour le développement futur des puces quantiques.

Qualité élevée des sources de lumière quantique confirmée

Les chercheurs ont également pu quantifier la performance des sources de lumière quantique. Pour les meilleurs composants, ils ont réussi à extraire près de la moitié des particules de lumière générées du cristal pour une utilisation ultérieure – un résultat très satisfaisant. Par ailleurs, la « pureté » quantique de chaque particule de lumière dépassait 99 %. De plus, les particules de lumière produites présentaient des propriétés quantiques quasi identiques, ce qui est une condition essentielle pour la réalisation de futurs ordinateurs quantiques photoniques et réseaux quantiques, où de nombreuses particules doivent interagir de manière identique.

Informations complémentaires :

Plateforme photonique quantique évolutive basée sur des points quantiques contrôlés sur site couplés à des résonateurs à réseau circulaire de Bragg, Kartik Gaur, Avijit Barua, Sarthak Tripathi, Léo J. Roche, Steffen Wilksen, Alexander Steinhoff, Sam Baraz, Neha Nitin, Chirag C. Palekar, Aris Koulas-Simos, Imad Limame, Priyabrata Mudi, Sven Rodt, Christopher Gies & Stephan Reitzenstein

https://www.nature.com/articles/s41377-026-02343-0