Un nouveau capteur quantique mis au point par des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique de l’Université de Waterloo (IQC) montre qu’il peut surclasser les technologies existantes et promet des progrès importants dans l’imagerie 3D à longue portée et le suivi du traitement de cancers.
Ce capteur, une première en son genre, a recours à des nanofils semiconducteurs qui peuvent détecter des particules individuelles de lumière avec une résolution temporelle, une vitesse et une efficacité élevées, sur une gamme sans précédent de longueurs d’onde allant de l’ultraviolet à l’infrarouge proche.
Cette technologie pourrait en outre grandement améliorer les capacités de communication quantique et de télédétection.
« Un capteur doit détecter la lumière d’une manière très efficace. Dans des applications comme le radar quantique, la surveillance et les opérations nocturnes, très peu de particules de lumière atteignent le capteur », déclare Michael Reimer, chercheur principal de ce projet, professeur à l’IQC et professeur adjoint au Département de génie électrique et informatique à l’Université de Waterloo. « Dans de tels cas, on veut pouvoir détecter chaque photon qui arrive. » [traduction]
Le capteur quantique de prochaine génération conçu dans le laboratoire de M. Reimer est si rapide et efficace qu’il peut absorber et détecter une particule individuelle de lumière, appelée photon, et se réinitialiser en quelques nanosecondes pour l’arrivée du prochain photon. Les chercheurs ont créé un réseau de nanofils coniques qui transforment les photons incidents en un courant électrique pouvant être amplifié et détecté
La télédétection, la capture à grande vitesse d’images à partir de l’espace, l’acquisition d’images 3D à grande résolution, les communications quantiques, ainsi que la détection d’oxygène singulet pour la surveillance des doses dans le traitement de cancers, sont toutes des applications qui pourraient bénéficier de la détection de photons individuels fournie par ce nouveau capteur quantique.
La rapidité, la résolution temporelle et l’efficacité du réseau de nanofils semiconducteurs sont dues à la qualité des matériaux employés, au nombre de nanofils, au profil de dopage ainsi qu’à l’optimisation de la forme et de la disposition des nanofils. Le capteur détecte la lumière dans un large spectre avec beaucoup d’efficacité et une grande résolution temporelle, le tout à la température ambiante. Michael Reimer souligne que le spectre d’absorption peut être élargi encore davantage avec l’emploi d’autres matériaux.
« Ce dispositif utilise des nanofils en phosphure d’indium (InP), dit-il. En remplaçant ce matériau par de l’arséniure d’indium et de gallium (InGaAs) par exemple, on pourrait étendre le spectre de détection sans dégradation des performances. Ce dispositif est à la fine pointe et peut encore être amélioré. » [traduction
Une fois que le prototype sera doté de l’assistance électronique voulue et d’un dispositif portable de réfrigération, le capteur pourra être testé en dehors du laboratoire. « Beaucoup d’industries et de domaines de recherche bénéficieront d’un capteur quantique ayant ces propriétés, déclare M. Reimer.
L’article intitulé Tapered InP nanowire arrays for efficient broadband high-speed single photon detection (Réseaux coniques de nanofils d’InP pour une détection efficace et à large spectre de photons individuels), écrit en collaboration avec des chercheurs de l’Université technique d’Eindhoven, a été publié le 4 mars dans la revue Nature Nanotechnology. Ces recherches ont été menées en partie grâce à l'appui du Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (FERAC).