Des scientifiques du NIST développent des lasers « à longueur d’onde arbitraire »

• À l’intérieur d’une puce photonique intégrée, une architecture capable de convertir une seule couleur laser en diverses longueurs d’onde visibles et infrarouges, et de produire différentes longueurs d’onde propres par la seule conception du circuit, a été mise en œuvre
• En empilant en 3D du niobate de lithium et du tantala sur un wafer de silicium, les chercheurs appliquent une méthode qui traite sur une seule puce à la fois la conversion de la couleur de la lumière et le contrôle électrique
• Les horloges quantiques et les ordinateurs quantiques ont besoin de couleurs laser spécifiques selon les atomes, mais le volume, le coût et la consommation électrique des équipements existants limitent fortement leur usage sur le terrain
• Environ 50 puces de la taille d’un ongle et un total de 10�00 circuits photoniques ont été intégrés sur un seul wafer, chaque circuit émettant une couleur différente, et le laboratoire a confirmé la conversion de l’infrarouge en lumière visible
• Cette voie de fabrication, susceptible de mener à des systèmes photoniques peu coûteux et portables, met en avant des possibilités d’extension non seulement pour les technologies quantiques, mais aussi pour les communications entre puces pour l’IA et les affichages de réalité virtuelle

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Progrès des circuits photoniques intégrés

• Des puces photoniques ont été réalisées en empilant sur un wafer de silicium des motifs complexes de matériaux spéciaux, afin de déplacer la lumière et traiter l’information comme sur une puce électronique
  • Ces puces utilisent des composants optiques comme des lasers, des guides d’onde, des filtres et des commutateurs pour transmettre et traiter la lumière à l’intérieur du circuit
  • Elles peuvent contribuer à des technologies émergentes comme l’IA, les ordinateurs quantiques et les horloges atomiques optiques
• Les circuits utilisant des photons plutôt que des électrons possèdent des caractéristiques différentes pour la transmission et le traitement de l’information
  • Les photons se déplacent à travers les circuits bien plus vite que les électrons
  • La lumière laser est un élément essentiel pour le contrôle de technologies quantiques comme les horloges atomiques optiques et les ordinateurs quantiques
• L’un des principaux obstacles à la diffusion de la photonique intégrée est la limitation des longueurs d’onde laser
  • Les lasers de haute qualité, compacts et à haut rendement n’existent que pour un petit nombre de longueurs d’onde
  • Les lasers à semi-conducteurs sont particulièrement adaptés à la génération d’infrarouge à 980 nanomètres, une couleur située juste au-delà du spectre visible pour l’être humain
• Les horloges atomiques optiques et les ordinateurs quantiques nécessitent de nombreuses autres couleurs laser
  • Les lasers existants capables de produire ces couleurs sont grands, coûteux et énergivores, ce qui confine de fait ces technologies quantiques à un petit nombre de laboratoires spécialisés
• L’intégration des lasers dans les circuits de puce laisse espérer une transition vers des technologies quantiques moins coûteuses et portables
  • Avec la possibilité de les étendre à des applications réelles hors laboratoire

Méthode d’empilement multicouche

• La nouvelle puce photonique est fabriquée selon une structure en couches superposées
  • Le point de départ est un wafer de silicium standard recouvert de silicium, de dioxyde de silicium (verre) et de niobate de lithium, capable de modifier la couleur de la lumière entrante
• L’ajout de pièces métalliques permet de contrôler électriquement la manière dont le circuit convertit une couleur de lumière en une autre
  • Une interface métal–niobate de lithium distincte a été créée afin d’activer et de désactiver rapidement la lumière à l’intérieur du circuit
  • Cette capacité constitue un élément clé du traitement des données et du routage à haute vitesse
• Une deuxième matière non linéaire, le pentoxyde de tantale (tantala), est appliquée sur la couche supérieure
  • Le tantala peut recevoir une seule couleur laser en entrée et la convertir en toute la gamme visible de l’arc-en-ciel ainsi qu’en une large plage de longueurs d’onde infrarouges
  • Pendant plusieurs années, les chercheurs ont développé une technologie permettant d’en faire des circuits sans chauffer ce matériau, ce qui rend possible son dépôt sans dommage sur d’autres matériaux
• En façonnant différents matériaux par empilement 3D, ils ont fabriqué une puce unique qui achemine efficacement la lumière entre les couches
  • Cela combine la capacité de conversion lumineuse du tantala et la contrôlabilité du niobate de lithium
  • La possibilité d’ajouter du tantala à des circuits existants constitue un atout majeur
• Environ 50 puces de la taille d’un ongle et 10�00 circuits photoniques au total ont été intégrés sur un seul wafer
  • Chaque circuit produit une couleur propre différente
  • Il est possible de générer diverses couleurs uniquement par la conception du circuit

Besoin de lasers adaptés à chaque longueur d’onde

• Les horloges quantiques et les ordinateurs quantiques utilisent souvent des réseaux d’atomes pour stocker et traiter l’information
  • Chaque type d’atome nécessite un laser correspondant à ses niveaux d’énergie quantique internes
• Les atomes de rubidium réagissent à une lumière rouge de 780 nanomètres
  • C’est un exemple d’atome couramment utilisé dans les ordinateurs quantiques et les horloges
• Les atomes de strontium réagissent à une lumière bleue de 461 nanomètres
  • Si on les éclaire avec une autre couleur, il ne se passe rien
• Le volume, le coût et la complexité des lasers existants capables de produire ces couleurs sur mesure constituent un obstacle majeur au déploiement sur le terrain des ordinateurs quantiques et des horloges optiques
  • C’est une contrainte importante pour leur sortie du laboratoire

Possibilités d’application

• Des horloges optiques peu coûteuses, sobres en énergie et portables pourraient avoir des usages potentiels dans de nombreux domaines
  • Elles pourraient aider à prévoir les éruptions volcaniques et les séismes
  • Elles pourraient offrir une alternative au GPS pour le positionnement et la navigation
  • Elles pourraient soutenir l’exploration d’énigmes scientifiques comme la nature de la matière noire
• Les ordinateurs quantiques pourraient offrir de nouvelles approches pour l’étude de la physique et de la chimie des médicaments et des matériaux
• Les usages des circuits photoniques intégrés ne se limitent pas aux technologies quantiques
  • Ils pourraient aider à transmettre efficacement les signaux entre les puces spécialisées utilisées par les entreprises technologiques
  • Ils pourraient contribuer à rendre les outils basés sur l’IA plus puissants et plus efficaces
• Les entreprises technologiques s’intéressent aussi à la photonique pour améliorer les affichages de réalité virtuelle

Voie vers la commercialisation

• La puce actuelle n’est pas encore prête pour la production de masse
  • Mais la technique de fabrication elle-même fournit une trajectoire pour l’avenir
• Une collaboration est en cours avec Octave Photonics pour faire évoluer la technologie
  • Une startup basée à Louisville, dans le Colorado
  • Fondée par d’anciens chercheurs du NIST, elle travaille à la montée en échelle de la technologie

Caractéristiques visuelles et expérimentales

• Une petite puce rectangulaire de la taille d’un ongle intègre de nombreux circuits capables de changer la couleur de la lumière laser
  • Sur la photo, un circuit est montré en train de convertir un infrarouge invisible en lumière bleue visible
  • Une pièce de dime est utilisée pour donner l’échelle
• La puce fondée sur l’optique non linéaire peut inclure des lasers de dizaines de couleurs
• En laboratoire, il a été confirmé que la puce reçoit une lumière invisible et produit de nombreuses lumières visibles
  • Une démonstration intuitive des diverses applications possibles au sein d’une seule puce intégrée

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Commentaires sur Hacker News

• Au lieu de parler seulement du magenta ou du marron, on peut voir dès maintenant des couleurs illusoires sans laser. En suivant cet article, on peut faire l’expérience d’une couleur qui ressemble à une sorte d’hyper-turquoise

  • Je trouve que la notion même de fréquence des couleurs et de la lumière est vraiment fascinante. Au fond, la lumière n’est qu’un signal physique, mais l’expérience subjective que nous avons de la couleur est bien plus riche. Il se pourrait que le rouge que je vois soit différent de celui que ressent quelqu’un d’autre, mais nous l’appelons tous les deux rouge et l’associons à des choses comme le feu, l’amour, la chaleur ou le danger, ce que je trouve particulièrement intéressant
  • Quand j’apprends quelque chose de nouveau sur les couleurs, c’est forcément une bonne journée. Mon anecdote favorite sur les couleurs est qu’il n’existe pas de lumière monochromatique rose. Le rose ne peut être obtenu qu’en mélangeant les deux extrémités du spectre visible, c’est-à-dire des teintes rouges et violettes, donc à proprement parler il n’y a pas de rose dans l’arc-en-ciel
  • Je souffre de migraine oculaire/rétinienne, donc je préfère prévenir que les expériences visuelles de cet article ne sont peut-être pas une bonne idée pour les personnes dans ce cas
  • J’ai essayé parce que l’article disait « continuez juste à regarder le point, une minute suffit », mais honnêtement j’ai eu l’impression d’avoir perdu mon temps
  • J’ai eu l’impression que cela expliquait un peu les phénomènes qu’on voit en trip sous acide

• Je pense que la formulation de l’article, du type « les photons traversent les circuits bien plus vite que les électrons », peut être un peu trompeuse. Les électrons eux-mêmes ne se déplacent pas à la vitesse de la lumière, mais la transmission de l’information électrique se fait déjà à une vitesse proche de celle-ci. Du coup, le gain de performance en calcul viendra probablement davantage de la bande passante que de la latence

  • Si je comprends bien, dans les circuits électriques l’information est transmise par le champ électrique plutôt que par un déplacement direct d’un paquet d’électrons, et la vitesse de propagation est proche de celle de la lumière
  • D’après ce que je sais, un câble Cat6 est à peu près à 0,6c, et selon le type de câble cela peut être légèrement plus rapide. La fibre optique aussi, à cause de l’indice de réfraction du cœur, transporte la lumière à environ 0,6c

• J’aimerais bien que quelqu’un explique simplement s’il y a une vraie substance derrière ce qu’on appelle ici le photonic computing

  • À mes yeux, il y a un avantage évident. En communication optique, on peut faire passer beaucoup plus de couleurs de lumière dans une seule fibre, et chaque couleur peut porter une modulation de plusieurs dizaines de GHz, donc il reste énormément de bande passante inexploitée. Et si l’on peut régler très précisément la longueur d’onde d’un laser, cela pourrait aussi permettre une chimie moléculaire ciblée sur certaines énergies de liaison, ou encore faire progresser la découpe et la soudure laser en choisissant des longueurs d’onde plus efficaces
  • À mon avis, l’essentiel est qu’ils aient trouvé comment fabriquer des composants capables de produire la fréquence optique voulue. Jusqu’ici, des lasers suffisamment bon marché, petits et efficaces pour être intégrés sur une puce n’étaient possibles qu’à certaines longueurs d’onde ; cette contrainte s’atténue donc. La description de l’article est un peu exagérée, mais l’article scientifique donne aussi des chiffres d’efficacité, par exemple obtenir 6 mW de sortie en injectant 35 mW à 485 nm. Cela semble particulièrement prometteur pour augmenter la bande passante en utilisant davantage de fréquences dans les communications optiques multimodes, ou pour fabriquer des appareils plus petits, moins chers et plus efficaces
  • Je vois ça un peu comme la recherche fondamentale en général. Avant qu’elle serve à résoudre des problèmes concrets, il est presque impossible d’en prédire la valeur réelle. Même des mathématiques très abstraites finissent parfois par devenir la base d’industries gigantesques. Cela dit, il est clair que le contrôle de la longueur d’onde des lasers est au cœur des technologies modernes de communication, donc je doute que cette avancée se révèle finalement inutile
  • Je pense que cela pourrait être encore plus directement pertinent pour le calcul quantique. Dans les pièges à ions, le choix de l’ion dépend en fin de compte des longueurs d’onde qu’on peut produire de façon stable, et aujourd’hui la sélection tend à se faire vers des longueurs d’onde plus faciles à gérer avec des lasers télécom modifiés. Si on peut régler les longueurs d’onde laser avec ce degré de liberté, cette contrainte pourrait disparaître, ce qui permettrait peut-être de choisir des ions aux propriétés différentes
  • Je ne suis pas spécialiste du domaine, mais j’ai l’impression qu’il y a quelques conditions clés. D’abord, il faut pouvoir générer des longueurs d’onde arbitraires ; ensuite, il faut pouvoir les mesurer avec précision ; et il faut aussi des éléments comme des portes holographiques capables de fonctionner sans être trop sensibles à la fréquence. Si tout cela est en place, la capacité de calcul finira probablement par être déterminée par l’aptitude à distinguer des longueurs d’onde différentes. En théorie, on pourrait même arriver au point où beaucoup plus de calculs auraient été effectués sans qu’on puisse les détecter, ce qui mène à des questions assez philosophiques

• Si le coût final est raisonnable, je pense que c’est clairement une bonne nouvelle pour le calcul quantique à pièges à ions. Les longueurs d’onde laser nécessaires pour piéger les ions varient selon la molécule ou l’espèce choisie, et les équipements actuels sont chers, sensibles, difficiles à calibrer, et les lasers à colorant sont en plus assez pénibles à utiliser

  • Je pense que cela vaut aussi pour les atomes neutres. Pour pomper les atomes vers un état de Rydberg, il faut une lumière assez propre

• Je trouverais vraiment enthousiasmant de voir arriver de nouveaux écrans qui ne seraient plus enfermés dans le triangle de gamut des primaires RVB, mais où les couleurs primaires changeraient dynamiquement pour afficher presque toutes les couleurs

  • Moi, je veux simplement toutes les couleurs. Si possible, j’aimerais qu’on me donne carrément la distribution spectrale complète
  • L’idée est géniale, mais je me suis alors demandé comment encoder les données d’image dans un tel système

• Je voulais partager que l’article scientifique original est ici

• Je trouve que le titre est un peu trompeur. Cela ressemble moins à un vrai calculateur universel qu’à l’utilisation de divers effets optiques non linéaires en optique intégrée pour effectuer une forme de calcul à partir de la fréquence d’entrée du laser

  • Je ne le vois pas forcément comme ça. Ce qu’ils ont montré expérimentalement ressemble en pratique à une source supercontinuum couvrant presque « toutes les longueurs d’onde », et le simple fait de l’avoir réalisée sur une puce intégrée me paraît déjà assez impressionnant

• Quand je pense qu’il a fallu 60 ans pour faire passer l’électron de la puce jusqu’aux appareils intelligents, j’ai l’impression que si les photons suivent une trajectoire semblable, nous venons à peine de donner le signal de départ. Le fait que le tantala puisse prendre une seule couleur laser en entrée et l’étaler sur presque tout l’arc-en-ciel est particulièrement fascinant

• Cela m’a rappelé que l’US Navy étudie depuis longtemps une sorte de Graal, le free electron laser. On peut voir un exemple lié dans le communiqué de presse de Boeing

• Quand j’entends parler d’un « laser capable de produire vraiment n’importe quelle longueur d’onde », cela me fait forcément penser à des choses comme un laser à rayons gamma. En pratique ce n’est pas simple, mais j’aimerais bien que ça existe

  • Grâce à ça, j’ai aussi découvert que cela s’appelle bien un graser. En même temps, avec ma sensibilité de lecteur de SF, j’aurais presque préféré que ce terme soit un jour réservé à quelque chose comme un oscillateur d’ondes gravitationnelles