Les scientifiques ouvrent la porte à la manipulation quantique de la lumière

Pour la première fois, des scientifiques de l’Université de Sydney et de l’Université de Bâle en Suisse ont démontré leur capacité à manipuler et à identifier de petits nombres de photons en interaction – des paquets d’énergie lumineuse – avec une corrélation élevée.

Cette réalisation sans précédent marque une étape importante dans le développement des technologies quantiques. Il a été publié aujourd’hui dans physique de la nature.

L’émission de lumière stimulée, postulée par Einstein en 1916, a été largement observée pour un grand nombre de photons et a jeté les bases de l’invention du laser. Avec cette recherche, l’émission stimulée de photons uniques a été observée.

Plus précisément, les scientifiques peuvent mesurer directement le délai entre un photon unique et une paire de photons associés diffusés à partir d’un seul point quantique, un type d’atome créé artificiellement.

Le Dr Sahand Mahmoudan, de l’École de physique de l’Université de Sydney et co-auteur principal de la recherche, a déclaré : « Cela ouvre la porte à la manipulation de ce que nous pourrions appeler la » lumière quantique « .

« Cette science fondamentale ouvre la voie à des avancées dans les techniques d’augmentation quantique et l’informatique quantique photonique », a déclaré le Dr Mahmoud.

En observant comment la lumière interagit avec la matière il y a plus d’un siècle, les scientifiques ont découvert que la lumière n’est ni un faisceau de particules, ni un modèle d’onde d’énergie – mais présente les deux propriétés, connues sous le nom de dualité onde-particule.

La façon dont la lumière interagit avec la matière continue de capter l’attention des scientifiques et de l’imagination humaine, pour sa beauté théorique et sa forte application pratique.

Qu’il s’agisse de la manière dont la lumière traverse les vastes étendues du milieu interstellaire ou de l’évolution des lasers, la recherche sur la lumière est une science vitale aux applications pratiques importantes. Sans ces fondements théoriques, pratiquement toutes les technologies modernes seraient impossibles. Pas de téléphones portables, pas de réseau de communication mondial, pas d’ordinateurs, pas de GPS, pas de photos médicales récentes.

L’un des avantages de l’utilisation de la lumière pour la communication – via des fibres optiques – est que les paquets d’énergie lumineuse, les photons, n’interagissent pas facilement les uns avec les autres. Cela crée une transmission d’informations presque sans distorsion à la vitesse de la lumière.

Cependant, nous voulons parfois que la lumière réagisse. Et là, les choses se compliquent.

Par exemple, la lumière est utilisée pour mesurer de petits changements de distance à l’aide d’instruments appelés interféromètres. Ces outils de mesure sont désormais monnaie courante, que ce soit dans l’imagerie médicale avancée, pour effectuer des tâches importantes mais peut-être plus complexes comme le contrôle de la qualité du lait, ou sous la forme d’instruments sophistiqués comme LIGO, qui a mesuré pour la première fois les ondes gravitationnelles en 2015.

Les lois de la mécanique quantique fixent des limites à la sensibilité de ces appareils.

Cette limite est fixée entre la sensibilité de la mesure et le nombre moyen de photons dans l’appareil de mesure. Pour la lumière laser classique, cela est différent de la lumière quantique.

« L’appareil que nous avons créé a créé des interactions si fortes entre les photons que nous avons pu observer la différence entre un seul photon interagissant avec lui et deux photons », a déclaré le co-auteur principal, le Dr Natasha Tom de l’Université de Bâle.

« Nous avons remarqué qu’un photon était retardé pendant une période plus longue que deux photons. Avec cette forte interaction photon-photon, les deux photons s’enchevêtrent sous la forme d’un état dit de corrélation à deux photons. »

La lumière quantique comme celle-ci a l’avantage de pouvoir, en principe, effectuer des mesures plus sensibles avec une meilleure précision en utilisant moins de photons. Cela peut être important pour les applications en microscopie biologique lorsqu’une grande intensité lumineuse peut endommager les échantillons et où les caractéristiques à noter sont particulièrement petites.

« En démontrant notre capacité à identifier et à manipuler les états associés d’un photon, nous avons fait un premier pas essentiel vers l’exploitation de la lumière quantique pour une utilisation pratique », a déclaré le Dr Mahmouddian.

« Les prochaines étapes de mes recherches consistent à voir comment cette approche peut être utilisée pour générer des états lumineux utiles pour l’informatique quantique tolérante aux pannes, qui est poursuivie par des sociétés multimillionnaires comme PsiQuantum et Xanadu. »

Le Dr Tom a déclaré : « Cette expérience est magnifique, non seulement parce qu’elle prouve un effet fondamental – les émissions catalytiques – à sa dernière frontière, mais elle représente également un énorme pas technologique vers des applications avancées. »

« Nous pouvons appliquer les mêmes principes pour développer des dispositifs plus efficaces qui nous donnent des états liés aux photons. C’est très prometteur pour des applications dans un large éventail de domaines : de la biologie à la fabrication de pointe et au traitement de l’information quantique. »

La recherche était une collaboration entre l’Université de Bâle, l’Université Leibniz de Hanovre, l’Université de Sydney et l’Université de la Ruhr à Bochum.

Les auteurs principaux sont le Dr Natasha Tom de l’Université de Bâle et le Dr Sahand Mahmoudan de l’Université de Sydney, où il est membre du Australian Research Council et maître de conférences.

Les atomes artificiels (points quantiques) ont été fabriqués à Bochum et utilisés dans une expérience du groupe Nanophotonique de l’Université de Bâle. Les travaux théoriques sur la découverte ont été menés par le Dr Mahmuddin de l’Université de Sydney et de l’Université Leibniz de Hanovre.