Le projet Broadband Quant µm Synthesizer (BQS) est une collaboration entre le Royaume-Uni et le Canada qui repousse les frontières de la photonique µm ultrarapide à l'échelle micrométrique. Soutenu par Innovate UK avec un financement de 450 000 £, le projet a débuté en septembre 2023 et se déroulera sur deux ans. Son objectif est de développer la première source intégrée au monde d'impulsions lumineuses comprimées à très large bande, un outil essentiel pour les technologies quantiques µm de nouvelle génération dans les domaines de la détection, des communications et de l'imagerie.
Le projet BQS tire parti d'expertises complémentaires provenant du Royaume-Uni et du Canada :
- La société Few-Cycle Inc. fournit la plateforme FOPA (amplification paramétrique optique dans le plan de Fourier) et dirigera le projet et l'intégration du système.
- Covesion apporte son expertise avancée en matière de cristaux PPLN sur mesure avec des périodes de polarisation spatialement variables, essentielles à l'accord de phase dans le plan de Fourier.
- L'Université de Glasgow et le CNRC Canada codévelopperont et valideront le système dans le cadre d'expériences de pointe telles que la génération d'harmoniques élevées améliorées par la technologie quantique µm et la conversion de fréquence de la lumière comprimée.
L'initiative BQS repose avant tout sur le développement d'impulsions lumineuses comprimées d'une durée inférieure à 100 femtosecondes (fs), idéalement de seulement 40 fs, permettant une réduction du bruit quantique µm supérieure à 3 dB. Ces états lumineux « comprimés » sont des champs de photons intriqués qui surpassent la lumière classique en termes de sensibilité et de capacité d'information. Ils constituent le fondement de la métrologie quantique µm , permettant des mesures d'une précision sans précédent en spectroscopie, microscopie et imagerie, et sont essentiels aux systèmes de communication et de calcul quantiques µm .
Bien qu'il soit possible de générer des taux de compression élevés (>15 dB) à l'aide d'ondes continues ou d'impulsions longues, il n'existe actuellement aucune solution pratique pour produire une lumière à large bande et fortement comprimée à des échelles de temps ultrarapides. Ceci constitue une limitation majeure pour les applications quantiques µm avancées, notamment en bio-imagerie, où les événements biologiques se produisent à l'échelle de la femtoseconde. Le projet BQS vise à combler cette lacune grâce à une source compacte et fiable.
Le système BQS sera construit autour d'une approche novatrice appelée optique non linéaire dans le plan de Fourier. Cette technique, brevetée et concédée sous licence exclusive à Few-Cycle Inc. (brevet américain n° 9 910 339), surmonte le compromis traditionnel entre gain et bande passante qui a freiné les progrès dans la génération de lumière comprimée ultrarapide. Dans ce système, des impulsions ultralarges sont décomposées spectralement dans le plan de Fourier d'un conformateur d'impulsions. Chaque tranche spectrale à bande étroite est amplifiée individuellement dans un cristal non linéaire à multiplexage spatial, plus précisément des cristaux de niobate µm lithium à polarisation périodique (PPLN) développés par Covesion. Ces tranches sont ensuite recombinées, produisant une impulsion courte et fortement comprimée sur une large bande passante (visant > 100 nm, et jusqu'à 300 nm dans les prototypes futurs).
Cette architecture permet une manipulation indépendante et en phase de chaque composante de fréquence, circ µm éliminant les contraintes des techniques d'amplification paramétrique traditionnelles et permettant la génération d'impulsions comprimées d'une durée inférieure à 100 fs, pouvant potentiellement atteindre 40 fs.
Le développement réussi du système BQS constituera un élément fondamental de l'optique µm à quanta variable continu, un domaine où l'intrication macroscopique de milliards de photons permet les mesures les plus sensibles connues à ce jour. Applications :
- Microscopie non linéaire améliorée Quant µm , permettant la détection de signaux biologiques faibles avec une plus grande précision.
- Des communications sécurisées, grâce à l'intégration de lumière comprimée dans des systèmes de distribution de clés quantiques au µm .
- Calcul quantique à l' µm , notamment dans les architectures utilisant des états à variables continues.
- La spectroscopie Quant µm offre un accès à la dynamique moléculaire ultrarapide avec une résolution jusqu'alors inaccessible.
Le système sera également validé pour la spectroscopie attoseconde quantique à l'échelle µm , un domaine émergent nécessitant des impulsions comprimées avec une précision temporelle et spectrale extrême.
La plateforme BQS proposera trois principaux services commerciaux :
- Un synthétiseur quantique µm autonome pour les laboratoires de recherche et industriels.
- Un amplificateur paramétrique optique de nouvelle génération pour la microscopie et le traitement des matériaux.
- Des sous-composants tels que des cristaux PPLN à distribution en éventail, élargissant la gamme de produits de Covesion pour la chaîne d'approvisionnement mondiale QT.
De plus, le projet devrait générer de nouvelles données de propriété intellectuelle (PI) et de performance, jetant ainsi les bases de futurs produits et d'une entrée sur le marché.
Le projet BQS illustre parfaitement l'esprit de coopération bilatérale entre le Royaume-Uni et le Canada dans le domaine des technologies quantiques µm . Bénéficiant d'un financement conjoint des pouvoirs publics et de l'industrie dépassant le milliard de livres sterling pour soutenir la collaboration en µm quantique, ce projet contribue à l'objectif stratégique de transformer les avancées µm en applications concrètes et accessibles. En combinant l'expertise des milieux universitaires et industriels, il jette les bases de systèmes photoniques quantiques µm évolutifs, repoussant les limites du possible en matière de détection, de communication et d'imagerie biologique.
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