Pour la première fois, une équipe internationale de physiciens a réussi à manipuler un petit nombre de particules lumineuses – appelées photons – qui entretiennent une relation étroite les unes avec les autres.
Cela peut sembler un peu obscur, mais jeC’est une percée fondamentale dans le domaine quantique qui pourrait conduire à une technologie dont nous ne pouvons même pas rêver actuellement. Imaginez des lasers, mais avec une sensibilité quantique, pour l’imagerie médicale.
“Cela ouvre la porte à la manipulation de ce que nous pouvons appeler la ‘lumière quantique'”, dit le physicien Sahand Mahmoodian de l’Université de Sydney.
“Cette science fondamentale ouvre la voie à des avancées dans les techniques de mesure améliorées quantiques et l’informatique quantique photonique.”
Alors que les physiciens deviennent très bons dans le contrôle des atomes intriqués quantiques, il s’est avéré beaucoup plus difficile d’obtenir la même chose avec la lumière.
Dans cette nouvelle expérience, une équipe de l’Université de Sydney et de l’Université de Bâle en Suisse a tiré à la fois un photon unique et une paire de photons liés à un point quantique (un atome créé artificiellement) et pouvait mesurer un délai direct entre le photon seul et ceux qui étaient liés.
“L’appareil que nous avons construit a induit des interactions si fortes entre les photons que nous avons pu observer la différence entre un photon interagissant avec lui par rapport à deux”, dit la physicienne Natasha Tommco-auteur principal, de l’Université de Bâle.
“Nous avons observé qu’un photon était retardé plus longtemps que deux photons. Avec cette interaction photon-photon vraiment forte, les deux photons s’enchevêtrent sous la forme de ce qu’on appelle un état lié à deux photons.”
Ils ont mis en place cet état lié en utilisant émission stimulée – un phénomène décrit pour la première fois par Albert Einstein en 1916 et qui est à la base des lasers modernes. (Fait amusant : laser signifie amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement.)
A l’intérieur d’un laser, un courant électrique ou une source de lumière est utilisé pour faire monter les électrons dans les atomes d’un matériau optique tel que le verre ou le cristal.
Cette excitation propulse les électrons sur une orbite dans le noyau de leur atome. Et lorsqu’ils reviennent à leur état normal, ils émettent de l’énergie sous forme de photons. Ce sont les émissions “stimulées” et ce processus signifie que toutes les photos résultantes ont des longueurs d’onde identiques, contrairement à la lumière blanche normale, qui est un mélange de différentes fréquences (couleurs).
Un miroir est ensuite utilisé pour faire rebondir les anciens et les nouveaux photons vers les atomes, stimulant ainsi la production de photons plus identiques.
Ces photons se déplacent à l’unisson, voyageant avec la même vitesse et la même direction, et s’accumulent jusqu’à ce qu’ils finissent par surmonter les miroirs et le support optique et se libèrent dans un faisceau de lumière parfaitement synchronisé qui peut rester parfaitement focalisé sur de longues distances.
Tout cela se produit en quelques millisecondes lorsque vous appuyez sur le bouton de votre pointeur laser (merci, Einstein).
Ce type d’interaction cool entre la lumière et la matière est à la base de toutes sortes de technologies incroyables, telles que le GPS, les ordinateurs, l’imagerie médicale et les réseaux de communication mondiaux. Même LIGO, l’observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser qui a détecté des ondes gravitationnelles pour la première fois en 2015 est basé sur des lasers.
Mais toute cette technologie nécessite encore beaucoup de photons, ce qui limite leur sensibilité.
La nouvelle percée a maintenant atteint l’émission et la détection stimulées de photons uniques, ainsi que de petits groupes de photons d’un seul atome, ce qui les a amenés à devenir fortement corrélés – en d’autres termes, la «lumière quantique». Et c’est un énorme pas en avant.
“En démontrant que nous pouvons identifier et manipuler les états liés aux photons, nous avons fait un premier pas essentiel vers l’exploitation de la lumière quantique pour une utilisation pratique”, dit Mahmoodian.
Les prochaines étapes, elle expliquesont d’utiliser l’approche pour générer des états de lumière qui peuvent faire de meilleurs ordinateurs quantiques.
“Cette expérience est belle, non seulement parce qu’elle valide un effet fondamental – l’émission stimulée – à sa limite ultime, mais elle représente aussi un énorme pas technologique vers des applications avancées.” ajoute Tomm.
“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 avancée et au traitement de l’information quantique.”
La recherche a été publiée dans Physique naturelle.
