Détection photonique : au-delà de la détection de photons uniques

*** NOUVEAU – 18 janvier 2021

• Une pièce jointe a été ajoutée afin de prolonger la date de fermeture de ce défi au 27 janvier 2021 à 14:00 HNE

Le présent avis du défi est publié en vertu de l’appel de propositions (003) du programme Solutions innovatrices Canada (SIC) (EN578-20ISC3). Pour obtenir des renseignements généraux sur le SIC, les soumissionnaires peuvent visiter le site Web du SIC à cet effet.

Veuillez consulter les documents de l’appel de propositions qui contiennent le processus de soumission d’une proposition.

Étapes à suivre :

Étape 1 : lisez ce défi

Étape 2 : lisez l’appel de propositions

Étape 3 : proposez votre solution ici

TITRE DU DÉFI : Détection photonique : au-delà de la détection de photons uniques

PROMOTEUR DU DÉFI : Conseil national de recherches du Canada (CNRC)

Mécanisme de financement : Contrat

VALEUR MAXIMALE DU MARCHÉ

De multiples contrats pourraient résulter de ce défi.

Phase 1 :

• Le financement maximal disponible pour tout contrat de la phase 1 résultant de ce défi est de : 150,000.00 $ CA, à l'exclusion des taxes applicables, des frais d'expédition, de déplacement et de subsistance, selon les besoins.
• La durée maximale de tout contrat de la phase 1 résultant de ce défi est de 6 mois (à l'exclusion de la présentation du rapport final).
• Nombre estimatif de contrats de la phase 1 à attribuer : 2

Phase 2 :

• Le financement maximal disponible pour tout contrat de la phase 2 résultant de ce défi est de : 1,000,000.00 $ CA, à l'exclusion des taxes applicables, des frais d'expédition, de voyage et de séjour, selon les besoins.
• La durée maximale de tout contrat de la phase 2 résultant de ce défi est de 24 mois (à l'exclusion de la présentation du rapport final).

Remarque : Seules les entreprises admissibles qui ont terminé la phase 1 seront prises en compte pour la phase 2.

• Nombre estimatif de contrats de la phase 2 à attribuer : 1

La présente divulgation est faite de bonne foi et n'engage pas le Canada à accorder un contrat correspondant à la valeur totale approximative du financement. Les décisions définitives sur le nombre de subventions des phases 1 et 2 seront prises par le Canada en fonction de facteurs tels que les résultats de l'évaluation, les priorités ministérielles et la disponibilité des fonds. Le Canada se réserve le droit de procéder à des attributions partielles et de négocier des modifications de la portée du projet..

Remarque: les entreprises sélectionnées peuvent recevoir un contrat par phase et par défi.

DÉPLACEMENTS :

On prévoit que les soumissionnaires retenus n’auront pas besoin de se déplacer au cours de la phase 1. Les réunions seront organisées par téléconférence ou vidéoconférence.

Réunion de lancement

Ottawa, ON* ou Téléconférence/vidéoconférence

Réunions d'étape

Téléconférence/vidéoconférence

Réunion d’examen final

Ottawa, ON ou Téléconférence/vidéoconférence

Les autres communications pourront se faire par téléphone, par vidéoconférence ou par WebEx.

*En raison de la Covid-19, la réunion de lancement et la réunion d'examen final auront la flexibilité d'être une vidéo ou une téléconférence en raison de problèmes de voyage et d'autres restrictions.

Énoncé du problème

Le CNRC cherche une solution pour détecter et distinguer des états nombre de photons allant jusqu’à 5 à 10 photons à diverses longueurs d’onde, notamment à 800 nm et à 1 550 nm, pour la mise au point de technologies quantiques basées sur la photonique; cette technologie de détection qui permet de résoudre le nombre de photons devra opérer à des fréquences supérieures à 200 kHz et s’appuyer sur une intégration logicielle et matérielle axée sur l’automatisation de l’étalonnage et de la collecte des données.

Le Centre de recherche sur les technologies de sécurité et de rupture (TSR) du CNRC effectue des travaux de recherche axés sur la photonique quantique et en particulier sur les sources et les interfaces à l’état solide ainsi que l’optique quantique ultrarapide. Les applications vont de la sécurisation des communications quantiques à l’informatique et la détection quantiques. Les technologies axées sur la détection des photons constituent l’un des piliers du développement de la photonique quantique. Ces technologies se sont pour l’instant limitées à la détection de photons uniques à l’aide de détecteurs supraconducteurs à nanofil, de photodiodes à avalanche et de caméras monophotoniques. La résolution de l’état nombre de photons est critique pour pouvoir accéder aux nombreuses possibilités offertes par la photonique quantique. Les détecteurs capables de résoudre le nombre de photons (PNR) permettront aux chercheurs du CNRC de poursuivre de nouvelles approches prometteuses dans les domaines de la détection, de la communication et du traitement quantiques. Pour ce qui est de la détection, les chercheurs pourront ainsi effectuer des mesures de phase approchant la limite de précision découlant du principe d’incertitude de Heisenberg — la limite absolue de la sensibilité d’un appareil. Les chercheurs pourront ainsi valider la création et l’utilisation d’états de nombre exotiques et d’états intriqués, qui sont des ressources requises pour les réseaux et les traitements quantiques.

Dans le cadre de ce défi, le CNRC souhaite faire la démonstration d’une technologie de détection capable de résoudre le nombre de photons à une fréquence qui dépasse 200 kHz et à des longueurs d’onde proches de 800 nm et de 1550 nm. Le CNRC s’intéresse particulièrement aux systèmes intégrés faciles à utiliser, offrant la possibilité d’utiliser 12 détecteurs simultanément, dotés d’un logiciel et d’un matériel d’étalonnage automatisé et d’un logiciel de collecte et d’analyse automatiques des données. Pour tirer parti du potentiel offert par la détection PNR, le CNRC aura besoin d’une capacité de résolution du nombre de photons d’au moins 5 à 10 photons par détecteur. Pour satisfaire aux exigences de la phase 2 de l’approvisionnement, il sera de plus nécessaire de faire la démonstration de sources rapides de photons à 1550 nm et 800 nm, intégrées au système de détection. À l’heure actuelle, seuls quelques laboratoires de recherche ont réussi à faire fonctionner de vrais détecteurs PNR à l’aide de capteurs à transition supraconductrice (TES), à des fréquences de l’ordre de 100 kHz. Pour l’instant, ces systèmes nécessitent un étalonnage manuel très chronophage, un obstacle à la mise en réseau de ces détecteurs en fonctionnement simultané. Passer de détecteurs de pointe qui fonctionnent en laboratoire à des produits commerciaux faciles à utiliser représente un défi scientifique et technique de taille.

Résultats essentiels (obligatoires)

Les solutions proposées doivent :

1. être capables de fonctionner à des fréquences d’au moins 200 kHz;
2. offrir 6 détecteurs qui opèrent à 1 550 nm ± 20 nm et 6 autres qui opèrent à 800 nm ± 10 nm;
3. offrir la possibilité d’ajouter au moins 12 détecteurs supplémentaires dans l’avenir;
4. offrir une efficacité maximale de détection des photons uniques qui dépasse 90 % dans chaque gamme (« fenêtre ») de longueurs d’onde opérationnelle;
5. être capable de résoudre des nombres de photons allant jusqu’à 10 avec un niveau de confiance qui excède 80 % pour chaque détecteur dans la fenêtre autour de 1550 nm et pour des bandes passantes de photons inférieures à 1 THz.
6. être capable de résoudre des nombres de photons allant jusqu’à 5 avec un niveau de confiance qui excède 80 % pour chaque détecteur dans la fenêtre autour de 800 nm et pour des bandes passantes de photons inférieures à 1 THz.
7. être prêtes à l’emploi et automatisées de telle manière qu’un non-spécialiste puisse se charger des cycles de fonctionnement, de l’étalonnage et des ajustements.
8. être dotées d’un cryostat si elles nécessitent un refroidissement cryogénique. offrir un fonctionnement automatisé si un système de refroidissement cryogénique est présent, de manière à ce que celui-ci puisse être utilisé par un non-spécialiste;
9. inclure une source clé en main d’impulsions de lumière classique dans la fenêtre centrée sur 1550 nm et une autre source similaire, mais dans la fenêtre centrée sur 800 nm aux fins d’étalonnage et d’essais des détecteurs. Ces sources de lumière doivent fonctionner à des fréquences au moins égales à 100 kHz;
10. inclure un dispositif pour générer une lumière quantique « piégée » (squeezed) à 1 550 nm utilisable dans le cadre d’expériences. Offrir un dispositif de qualité « recherche » que les chercheurs du CNRC pourront intégrer à leurs sources laser et à leurs montages expérimentaux actuels.

Résultats souhaités supplémentaires

Les solutions proposées devraient :

1. être capables de résoudre des nombres de photons allant jusqu’à 20 avec un niveau de confiance de 80 %.
2. comporter des détecteurs capables de fonctionner sur de larges bandes, en particulier dans les domaines spécifiés, c’est-à-dire dans les fenêtres centrées sur 800 nm (± 50 nm) et 1 550 nm (± 100 nm).
3. fonctionner à des fréquences supérieures à 1 MHz.

Historique et contexte

Le gouvernement canadien a déterminé que la technologie quantique était l’un des principaux vecteurs de croissance pour la recherche, le développement et l’industrie au cours des prochaines années. En 2017, McKinsey and Co. a classé le Canada 5^e nation mondiale sur le plan des investissements annuels axés sur la recherche sur les phénomènes quantiques (en anglais seulement) (100 M$) et 1^re des nations du G7 pour ce qui est des dépenses par personne affectées à ce type de recherche. En harmonie avec les stratégies de développement adoptées par les autres nations chefs de file, les ministères et les organismes de financement du gouvernement du Canada stimulent l’excellence en recherche et la commercialisation des découvertes grâce à des investissements stratégiques. Le Canada et le Royaume-Uni ont par exemple mis sur pied un partenariat visant à accélérer la commercialisation des technologies quantiques. Reconnaissant leur rôle d’adopteurs précoces des technologies quantiques, le Centre de la sécurité des télécommunications, l’Agence spatiale canadienne et Recherche et développement pour la défense Canada investissent également dans plusieurs domaines.

La photonique quantique est l’une des approches prometteuses pour le développement de la communication, de la détection et de l’informatique quantiques. Cette technologie s’appuie sur la génération, la modulation et la détection efficaces, rapides et précises de photons. Les mécanismes envisagés sont capables de créer des états faisant intervenir plusieurs photons, qui peuvent être utilisés pour de nouvelles applications en technologie quantique. Les détecteurs de photon actuellement disponibles sur le marché permettent la détection de photons uniques. Les états de Fock (faisant intervenir plusieurs photons) peuvent être mesurés en multiplexant plusieurs détecteurs de photons uniques, mais l’efficacité de cette méthode relève de la statistique et elle n’est donc pas extensible. La difficulté que présente l’évaluation des états de nombre de photons nous empêche actuellement de crypter et de traiter les informations quantiques sur la base du nombre de photons. Surmonter cet obstacle nous permettrait de générer et de caractériser des états multiphotoniques, une avancée qui aurait une incidence importante dans les domaines de la communication, de la détection et de l’informatique quantiques.

DEMANDES DE RENSEIGNEMENTS

Toutes les demandes de renseignements doivent être présentées à TPSGC.SIC-ISC.PWGSC@tpsgc-pwgsc.gc.ca au moins dix jours civils avant la date de clôture. Pour ce qui est des demandes de renseignements reçues après ce délai, il est possible qu'on ne puisse pas y répondre.