Et si des fils plus larges captaient plus de photons ? Les SNSPD 100 fois plus larges du NIST recâblent la détection quantique

Boulder, Colorado, Source : À chaque instant, l'univers envoie vers nous un flot de photons. Ces minuscules paquets quantiques de lumière sont partout. La plupart passent sans laisser de trace. Pour les chercheurs qui travaillent sur l'informatique quantique, l'imagerie des tissus profonds et la communication dans l'espace lointain, capter un seul de ces photons peut faire la différence entre une avancée majeure et une occasion manquée.

Les détecteurs de photons uniques comptent parmi les instruments les plus sensibles jamais construits. Les détecteurs supraconducteurs à nanofils pour photons uniques, ou SNSPD, sont actuellement en tête dans ce domaine. Ils reposent sur la supraconductivité, un état dans lequel le courant électrique circule sans résistance. Quand un photon frappe le fil supraconducteur ultra-fin, il crée un point chaud minuscule qui perturbe le courant et déclenche une impulsion électrique. Cette impulsion est la signature indubitable d'une seule particule de lumière. Le NIST a constamment perfectionné ces dispositifs, et aujourd'hui ils peuvent capter près de 98 pour cent des photons entrants.

Pendant longtemps, la principale contrainte a été la taille. Un SNSPD standard utilise un fil d'environ 100 nanomètres de large, soit à peu près un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain. La logique dominante était simple. L'énergie d'un photon doit briser la supraconductivité sur toute la largeur du fil. Si le fil était plus large, l'impact du photon s'étalerait trop et le signal disparaîtrait. Cette hypothèse a maintenu la conception des fils à l'échelle nanométrique.

Les nanofils fonctionnent, certes, mais ils entraînent aussi de vraies complications. Ils exigent des méthodes de fabrication très spécialisées. Le courant qui les traverse n'est pas parfaitement uniforme, car de minuscules défauts font s'accumuler des charges près des bords, comme des tourbillons dans une rivière. Ces effets de bord créent de faux signaux appelés comptages sombres. Ils limitent aussi le courant de fonctionnement, si bien que les photons de faible énergie ne produisent qu'une impulsion faible. C'est devenu le casse-tête que le NIST voulait résoudre.

Leur nouvelle conception ajoute deux électrodes supraconductrices en forme de rail de part et d'autre du fil central. Les rails transportent le courant dans le même sens, et leurs champs magnétiques travaillent en synergie avec celui du fil principal. Ce champ combiné lisse la répartition du courant et empêche l'accumulation indésirable sur les bords. Avec un écoulement plus uniforme, le fil peut supporter beaucoup plus de courant. Ainsi, le point chaud du photon peut être détecté sur une zone beaucoup plus grande. Le détecteur peut aussi fonctionner plus près du point de transition supraconductrice, ce qui signifie que même les photons de très faible énergie laissent un signal clair et lisible.

Les résultats représentent un bond en avant considérable en matière d'échelle. L'équipe a démontré des fils allant jusqu'à un dixième de millimètre de large, plus de 100 fois plus larges que les SNSPD conventionnels. Des fils encore plus larges devraient être possibles. La nouvelle architecture est aussi plus facile à fabriquer, ce qui pourrait rendre les grands détecteurs bien plus pratiques. Et cette version large est insensible à la polarisation, donc elle fonctionne quelle que soit la direction dans laquelle oscille le champ électrique du photon.

L'un des résultats les plus surprenants est la baisse des comptages sombres. L'équipe a enregistré une réduction des faux signaux d'un facteur un milliard, un nouveau record. Kristen Parzuchowski, chercheuse postdoctorale au NIST, se souvient de ce moment au laboratoire. « Nous avons appelé d'autres membres du groupe dans la pièce, en leur disant, regardez ça, c'est fou ! »

Les applications potentielles sont immenses. En imagerie biomédicale, la spectroscopie de corrélation diffuse envoie de la lumière à travers les tissus humains et analyse la lumière diffusée pour mesurer le flux sanguin. Une capture plus efficace des photons pourrait rendre ces mesures plus rapides et plus fiables. En astronomie, la lumière faible à basse énergie est notre moyen d'étudier les galaxies lointaines et de traquer la matière noire. Dans les réseaux quantiques et les communications dans l'espace lointain, chaque photon peut porter une information, donc en capter davantage signifie des signaux plus forts et plus clairs.

Il reste encore des tests à faire avant que ces détecteurs surdimensionnés puissent prétendre aux 98 pour cent d'efficacité des meilleures versions nanométriques. Ces nouveaux travaux prouvent déjà un point essentiel. Les fils supraconducteurs n'ont pas besoin d'être minuscules pour atteindre les limites intrinsèques du matériau. Le NIST a ouvert une voie vers une nouvelle génération de détecteurs de photons plus faciles à construire, exceptionnellement silencieux, et prêts à capter presque chaque photon faible que l'univers nous envoie.