Les scientifiques ouvrent la voie à la manipulation de la « lumière quantique »

Pour la première fois, des scientifiques de l’université de Sydney et de l’université de Bâle, en Suisse, ont démontré qu’il était possible de manipuler et d’identifier un petit nombre de photons en interaction – des paquets d’énergie lumineuse – avec une corrélation élevée.

Cette réalisation sans précédent constitue une étape importante dans le développement des technologies quantiques. Elle a été publiée le 20 mars dans la revue Nature Physics.

L’émission stimulée de lumière, postulée par Einstein en 1916, est largement observée pour de grands nombres de photons et a jeté les bases de l’invention du laser. Cette recherche a permis d’observer l’émission stimulée pour des photons uniques.

Plus précisément, les scientifiques ont pu mesurer le délai direct entre un photon et une paire de photons liés se diffusant à partir d’un seul point quantique, un type d’atome créé artificiellement.

« Cela ouvre la voie à la manipulation de ce que nous pouvons appeler la ” lumière quantique ” », a déclaré le Dr Sahand Mahmoodian, de l’école de physique de l’université de Sydney et co-auteur principal de la recherche.

Le Dr Mahmoodian a ajouté : « Cette science fondamentale ouvre la voie à des avancées dans les techniques de mesure quantique et l’informatique quantique photonique ».

En observant l’interaction de la lumière avec la matière il y a plus d’un siècle, les scientifiques ont découvert que la lumière n’était ni un faisceau de particules, ni une onde d’énergie, mais qu’elle présentait les deux caractéristiques, ce que l’on appelle la dualité onde-particule.

La façon dont la lumière interagit avec la matière continue de fasciner les scientifiques et l’imagination humaine, tant pour sa beauté théorique que pour ses puissantes applications pratiques.

Qu’il s’agisse de la façon dont la lumière traverse les vastes espaces du milieu interstellaire ou du développement du laser, la recherche sur la lumière est une science vitale qui a d’importantes applications pratiques. Sans ces fondements théoriques, pratiquement toutes les technologies modernes seraient impossibles. Pas de téléphones portables, pas de réseaux de communication mondiaux, pas d’ordinateurs, pas de GPS, pas d’imagerie médicale moderne.

L’un des avantages de l’utilisation de la lumière dans la communication – par l’intermédiaire de fibres optiques – est que les paquets d’énergie lumineuse, les photons, n’interagissent pas facilement les uns avec les autres. Cela permet un transfert d’informations à la vitesse de la lumière presque sans distorsion.

Cependant, nous voulons parfois que la lumière interagisse. C’est là que les choses se compliquent.

Par exemple, la lumière est utilisée pour mesurer de petites variations de distance à l’aide d’instruments appelés interféromètres. Ces outils de mesure sont aujourd’hui monnaie courante, que ce soit dans l’imagerie médicale de pointe, pour des tâches importantes mais peut-être plus prosaïques comme le contrôle de la qualité du lait, ou sous la forme d’instruments sophistiqués tels que le 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 d’une mesure et le nombre moyen de photons dans l’appareil de mesure. La lumière laser classique est différente de la lumière quantique.

Natasha Tomm, de l’université de Bâle, co-auteur principal de l’étude, a déclaré : « Le dispositif que nous avons construit induit des interactions si fortes entre les photons que nous avons pu observer la différence entre l’interaction d’un photon et celle de deux photons ».

« Nous avons observé qu’un photon était retardé plus longtemps que deux photons. Avec cette interaction photon-photon très forte, les deux photons deviennent intriqués sous la forme de ce que l’on appelle un état lié à deux photons ».

Ce type de lumière quantique présente l’avantage de pouvoir, en principe, effectuer des mesures plus sensibles avec une meilleure résolution en utilisant moins de photons. Cela peut s’avérer important pour les applications en microscopie biologique, lorsque de fortes intensités lumineuses peuvent endommager les échantillons et que les caractéristiques à observer sont particulièrement petites.

« En démontrant que nous pouvons identifier et manipuler les états liés aux photons, nous avons franchi une première étape essentielle vers l’exploitation de la lumière quantique à des fins pratiques », a déclaré le Dr Mahmoodian.

« Les prochaines étapes de ma recherche consistent à voir comment cette approche peut être utilisée pour générer des états de lumière utiles pour l’informatique quantique tolérante aux pannes, qui est poursuivie par des entreprises multimillionnaires, telles que PsiQuantum et Xanadu ».

Le Dr Tomm a déclaré : « Cette expérience est magnifique, non seulement parce qu’elle valide un effet fondamental – l’émission stimulée – à sa limite ultime, mais aussi parce qu’elle représente un énorme pas en avant 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 quantique de l’information. »

Cette recherche est le fruit d’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 Natasha Tomm, de l’université de Bâle, et Sahand Mahmoodian, de l’université de Sydney, où il est titulaire d’une bourse d’avenir du Conseil australien de la recherche et maître de conférences.

Les atomes artificiels (points quantiques) ont été fabriqués à Bochum et utilisés dans le cadre d’expériences menées par le groupe de nano-photonique de l’université de Bâle. Les travaux théoriques sur cette découverte ont été réalisés par le Dr Mahmoodian à l’université de Sydney et à l’université Leibniz de Hanovre.

 

yogaesoteric
4 juin 2023