50 puces de la taille d’un ongle contiennent chacune 10 000 circuits photoniques sur une galette de silicium de la taille d’un dessous de verre. Cette prouesse du NIST résout le verrou principal qui cantonnait ordinateurs quantiques et horloges atomiques dans les laboratoires : les lasers haute qualité n’existent que dans quelques longueurs d’onde, alors que les technologies quantiques émergentes nécessitent de la lumière laser dans de nombreuses autres couleurs.
Les scientifiques du National Institute of Standards and Technology et leurs collaborateurs ont mis au point une méthode pour fabriquer des circuits intégrés pour la lumière en déposant des motifs complexes de matériaux spécialisés sur des galettes de silicium. Ces puces du NIST pourraient permettre aux technologies émergentes comme les ordinateurs quantiques et les horloges atomiques optiques d’échapper au laboratoire et de commencer à impacter la biomédecine, la navigation, les communications.
L’essentiel
- 50 puces de la taille d’un ongle contenant 10 000 circuits photoniques chacune tiennent sur une galette de la taille d’un dessous de verre
- Les lasers qui produisent les couleurs nécessaires aux technologies quantiques sont volumineux, coûteux et énergivores, confinant ces technologies à quelques laboratoires spécialisés
- Le marché des circuits photoniques intégrés devrait croître de 20,85 milliards de dollars en 2026 à 86,44 milliards en 2034, avec un taux de croissance annuel de 20,8%
- 2026 a vu la commercialisation des émetteurs-récepteurs optiques de 1,6 térabit par seconde, avec des versions 3,2T attendues d’ici la fin de la décennie
Une puce remplace une installation de la taille d’une table
Les photons sont bien plus rapides que les électrons pour circuler dans les circuits. La lumière laser est essentielle pour contrôler les technologies quantiques puissantes émergentes comme les horloges atomiques optiques et les ordinateurs quantiques. Mais les composants les plus volumineux et sensibles de ces systèmes quantiques sont les optiques, qui incluent plusieurs lasers et des chambres à vide isolées des vibrations et contrôlées en température qui contiennent des cavités optiques ultra-stables. Ces cavités stabilisent les lasers à une précision extrême pour contrôler les ions piégés.
Les fibres optiques agissent comme des tuyaux pour la lumière, permettant à la lumière générée sur ces puces d’être collectée et acheminée hors de la puce pour être utilisée dans les expériences et applications. Les scientifiques du NIST et leurs collaborateurs ont mis au point un moyen de fabriquer des circuits intégrés pour la lumière. La nouvelle puce photonique du NIST est un dispositif multicouche qui combine silicium, dioxyde de silicium, niobate de lithium et pentoxyde de tantale pour créer une plateforme polyvalente de manipulation de la lumière.
Cette miniaturisation s’inscrit dans une dynamique plus large. Les scientifiques ont démontré les composants laser et de piège à ions clés nécessaires pour réduire drastiquement la taille des ordinateurs quantiques, un accomplissement aligné avec la miniaturisation des microprocesseurs intégrés dans les années 1970, 80 et 90. La technologie de pointe actuelle pour l’informatique quantique est trop volumineux et complexe pour passer à l’échelle et trop sensible et encombrant pour être portable.
Douze lasers pour contrôler un seul qubit
Le défi de la miniaturisation quantique révèle l’ampleur du problème laser. Un ordinateur quantique utilisant des atomes neutres de césium nécessite 12 lasers différents pour produire six couleurs différentes. Ces jours-ci, un qubit a besoin de jusqu’à une douzaine de lasers avec différentes longueurs d’onde qui ne sont pas parmi les longueurs d’onde standard classiques. Ces lasers doivent également répondre aux exigences les plus élevées en termes de stabilité et de largeur de raie.
Les systèmes à ions piégés nécessitent des faisceaux laser pour contrôler chaque ion ou qubit, où le nombre de faisceaux laser requis évolue avec le nombre d’ions dans l’ordinateur quantique. Bien que cela ait extrêmement bien fonctionné pour les ordinateurs quantiques avec des dizaines de qubits, faire évoluer cette approche vers des millions de qubits - nécessitant des millions de faisceaux laser n’interagissant qu’avec leur qubit cible - est un défi énorme.
Il y a plus de 17 espèces atomiques explorées pour diverses applications quantiques, correspondant à plus de 100 longueurs d’onde laser différentes. Pour répondre à ces exigences, une grande variété de milieux de gain laser et d’architectures laser sont actuellement utilisés. L’industrie QIST est dans les premiers stades de développement, et une chaîne d’approvisionnement laser mature pour répondre aux exigences spéciales de l’industrie n’existe pas. Les développeurs de systèmes QIST doivent s’appuyer soit sur un développement à petit volume et à coût élevé dans des petites et moyennes entreprises, soit sur des lasers commercialement disponibles développés pour d’autres applications.
Les horloges atomiques restent confinées aux laboratoires de métrologie
Beaucoup des horloges optiques les plus précises sont volumineuses et disponibles uniquement dans de grands laboratoires de métrologie. Elles ne sont donc pas facilement utilisables pour les usines à espace limité ou d’autres environnements industriels qui pourraient utiliser une horloge atomique pour la précision GPS.
L’enjeu est considérable. En juillet 2025, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology aux États-Unis ont rapporté une horloge atomique optique record basée sur un ion d’aluminium piégé. Cette horloge “logique quantique” atteint une incertitude systématique correspondant à environ 19 décimales de précision, représentant une amélioration de 41% par rapport au record précédent.
Mais ces performances restent inaccessibles en dehors des laboratoires. Ces horloges atomiques optiques utilisent une technologie quantique avancée et existent actuellement principalement comme d’énormes installations complexes dans les laboratoires de physique. L’Union européenne mesure l’état de développement des applications technologiques en termes de niveau de préparation technologique, ou TRL. TRL-1 signifie que les principes de base ont été observés, tandis que le niveau le plus élevé, TRL-9, signifie que les produits sont construits et fonctionnent dans un environnement réel.
Le consortium iqClock, prédécesseur d’AQuRA, a réussi à amener les horloges atomiques optiques au niveau TRL-5, où la technologie fonctionne encore principalement dans un environnement de laboratoire contrôlé. L’objectif en pratique est de construire une horloge qui ne se tromperait que d’environ cinq secondes sur tout l’âge de l’univers - mais de telle façon que vous puissiez emmener cette horloge faire un voyage cahoteux à bord d’un camion, après quoi elle fonctionnerait encore parfaitement.
Un marché de 86 milliards de dollars attendu en 2034
La miniaturisation photonique s’attaque à un marché en explosion. Le marché mondial des circuits photoniques intégrés devrait croître de 20,85 milliards de dollars en 2026 à 86,44 milliards de dollars en 2034, affichant un TCAC de 20,80%. Selon IDTechEx, le marché des circuits photoniques intégrés et de la photonique silicium pour les émetteurs-récepteurs optiques dans les datacom et technologies quantiques atteindra 50 milliards de dollars d’ici 2036, avec un taux de croissance annuel composé robuste de 21,9%. La grande majorité de la valeur marchande viendra des émetteurs-récepteurs optiques basés sur PIC pour répondre aux demandes croissantes de traitement et communication de données haute vitesse.
La croissance du marché des circuits photoniques intégrés devrait être stimulée par le besoin croissant de taux de transmission de données plus rapides, en particulier dans les télécommunications et centres de données. L’expansion des réseaux 5G et le passage à venir vers la 6G nécessitent l’incorporation de la photonique pour gérer des volumes de données et des vitesses de communication sans précédent.
L’intelligence artificielle amplifie cette demande. Selon les recherches d’IDTechEx, les unités serveur H200 les plus récentes de Nvidia nécessitent environ 2,5 émetteurs-récepteurs 800G par GPU. Le plus grand moteur de développement des émetteurs-récepteurs PIC est l’IA, car les accélérateurs IA haute performance nécessiteront des émetteurs-récepteurs plus performants, avec des émetteurs-récepteurs 3,2Tbps attendus d’ici 2026.
Vers des ordinateurs quantiques de la taille d’un jeu de cartes
La percée du NIST s’inscrit dans une course technologique mondiale à la miniaturisation quantique. Dans un nouveau papier publié dans Nature, les chercheurs démontrent les pièces laser stabilisées clés nécessaires pour un système informatique quantique intégré-sur-puce avec le potentiel de réduire des portions du matériel informatique quantique de la taille d’une pièce à la taille puce d’un jeu de cartes. C’est une première étape critique vers la scalabilité de l’informatique quantique et une opportunité de rendre les horloges optiques portables.
Si vous voulez la scalabilité ou la portabilité avec la technologie quantique, vous devez que les systèmes laser soient tous sur puce aussi. Nous pourrions avoir des millions de qubits sur une puce d’une façon qui n’est pas possible si vous aviez besoin de pièces pleines de lasers et d’optiques.
Cette vision devient réalité. Le laser employé par le groupe de Blumenthal pour faire cela est un laser Brillouin visible qui a un bruit de fréquence si bas qu’il permet des opérations quantiques supérieures comparé aux lasers traditionnels. Également important, ce laser Brillouin à l’échelle puce est ancré à une seconde puce qui contient un résonateur coil intégré qui maintient la lumière laser dans une plage.
L’intégration complète approche. Le prochain objectif est l’intégration complète, combinant la puce piège à ions, la puce laser, la puce cavité optique, et d’autres photoniques sur une seule puce. Cette approche dépasse même les technologies quantiques existantes puisque cette approche crée un lien qui est aussi résistant que la fibre optique elle-même. Elle permet aux circuits intégrés photoniques d’aller dans des endroits où ils ne pouvaient tout simplement pas aller avant.
Les circuits photoniques du NIST transforment un paysage technologique où l’ADN synthétique rend inviolable le chiffrement et où l’informatique quantique menace les cryptographies actuelles. Nous apprenons à fabriquer des circuits complexes avec de nombreuses fonctions, traversant de nombreux domaines d’application. La promesse tient en quelques mots : remplacer des installations de la taille d’une table par des puces de la taille d’un ongle, démocratisant ainsi l’accès aux technologies quantiques les plus avancées.
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