Des chercheurs de l’Université d’Ottawa et du Max Planck Institute for the Science of Light ont démontré que la lumière naturelle du soleil peut générer un intriquement quantique comparable à celui des lasers. Cette avancée, publiée dans la revue Optica, pourrait réduire la consommation énergétique et faciliter le développement de technologies quantiques spatiales.
Les technologies quantiques reposent traditionnellement sur des sources lumineuses hautement cohérentes, telles que des lasers puissants, qui nécessitent des quantités importantes d’énergie. Face aux exigences croissantes en électricité et aux défis liés à la mise à l’échelle de ces systèmes, des chercheurs ont exploré une solution alternative en utilisant la lumière abondante du soleil.
Au-delà des lasers : le rôle de la lumière incohérente
Jusqu’à présent, la communauté scientifique considérait que l’obtention de corrélations fortes nécessaires à l’intriquement de photons exigeait une lumière cohérente, c’est-à-dire des ondes dont les pics et les vallées suivent un schéma prévisible. Les lasers sont couramment utilisés pour générer cette lumière concentrée à une seule couleur.
Toutefois, des travaux antérieurs menés par l’équipe de recherche de l’Université d’Ottawa avaient déjà remis en question ce dogme en démontrant qu’une diode électroluminescente (LED), pourtant incohérente, pouvait produire des photons intriqués en polarisation. La lumière peut ainsi être désordonnée dans certaines de ses propriétés, comme la direction de sa propagation, tout en préservant l’intriquement via une autre caractéristique telle que la polarisation. La nouvelle étude franchit une étape supplémentaire en remplaçant la LED par la lumière solaire, caractérisée par une forte divergence et un large spectre de couleurs.
Le mécanisme de conversion paramétrique et le concentrateur solaire
Pour produire ces paires de photons intriqués, l’équipe a eu recours à un processus optique établi connu sous le nom de conversion paramétrique spontanée descendante. Dans ce montage, un faisceau de pompe traverse un cristal non linéaire pour diviser les photons individuels. Plutôt qu’un laser classique, les chercheurs ont alimenté le système avec la lumière du soleil, qui demeure hautement polarisée malgré son incohérence spatiale et temporelle.
Nous avons conçu notre configuration expérimentale de sorte que les différences introduites par les différentes couleurs et directions de propagation n’influencent pas la polarisation des photons. Cheng Li, premier auteur de l’étude et diplômé de l’Université d’Ottawa
L’un des obstacles majeurs consistait à concentrer la lumière solaire sur un cristal non linéaire mesurant à peine un millimètre de largeur. Pour surmonter cette difficulté, les scientifiques du Max Planck Institute for the Science of Light ont mis au point un concentrateur solaire entièrement en verre. Ce dispositif utilise une lentille de Fresnel de la taille d’une fenêtre domestique pour canaliser les rayons vers une fibre optique dont le diamètre équivaut à celui d’un cheveu humain.
Des performances comparables aux sources traditionnelles
Au cours d’une expérience menée en extérieur, l’équipe a analysé l’état quantique résultant à l’aide de la tomographie d’état quantique. L’intriquement produit avec la lumière solaire s’est révélé comparable à un état parfaitement intriqué, affichant en outre des corrélations qui violent l’inégalité de Bell.
Cette technologie pourrait un jour permettre aux satellites de créer des clés de chiffrement sécurisées en utilisant la lumière du soleil déjà abondante dans l’espace, réduisant ainsi le besoin de lasers à bord et d’une grande partie du matériel de support. Cheng Li, chercheur à l’Université d’Ottawa
Alors que la recherche se poursuit pour améliorer la luminosité et la qualité de l’intriquement en vue d’applications pratiques, ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour rendre l’infrastructure informatique et cryptographique plus accessible et économe en énergie.
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