Un dispositif d'imagerie permettant la résolution spatiale et temporelle du phénomène d'interférence quantique

Publié par Redbran le 16/09/2020 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Une équipe de l'Institut FEMTO-ST a développé un interféromètre qui permet d'exploiter la grande dimensionnalité spatio-temporelle de milliers de paires de photons intriqués. Leurs travaux, qui ouvrent la voie au développement de protocoles d'information quantique à très haute dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...), sont publiés dans la revue Physical Review X.


Vue de l'interféromètre HOM. Les faisceaux colorées indiquent le cheminement du laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...) de pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) (en violet) et des deux faisceaux jumeaux émis par le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie,...) non linéaire jusqu'aux deux caméras à comptage de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...).
© FEMTO-ST

Envoyés sur un cristal, les photons d'un faisceau laser peuvent se diviser en paires de photons de fréquences plus basses: c'est le phénomène d'émission paramétrique spontanée. Ces photons jumeaux, ou intriqués, forment en fait un seul objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par...) quantique. Par conséquent, s'ils sont envoyés sur un séparateur de faisceau, ils sortent de façon aléatoire, mais tous deux sur le même port de sortie. Cette expérience d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en optique avec...) quantique à deux photons, dite interférence HOM (Hong-Ou-Mandel), du nom de ses inventeurs, est à la base de nombreux protocoles de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles...) et de traitement de l'information quantique.

Dans un système de traitement de l'information quantique (transmission, calcul...), le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'états possibles du système (sa dimensionnalité) conditionne la capacité de traitement en parallèle, et finalement sa puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :). Or, jusqu'ici, les dispositifs d'interférence HOM à deux photons intriqués n'utilisent que des détecteurs ponctuels (des photodiodes) sans résolution spatiale, alors que l'intrication concerne toutes les propriétés des photons jumeaux, y compris leur position dans l'espace.

Un dispositif mis au point (Graphie) par une équipe de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) FEMTO-ST (CNRS/ Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) Technologique Belfort-Montbéliard/Université de Franche-Comté/ENSMM) permet d'exploiter la grande dimensionnalité spatio-temporelle de milliers de paires de photons intriqués. Dans l'interféromètre conçu par les chercheurs, en se basant sur leur savoir-faire en imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression...) quantique, les détecteurs ponctuels ont été remplacés par des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de...) CCD matriciels sensibles aux photons uniques.

Grâce à ce dispositif, qui permet de contrôler temporellement, spatialement, en polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le...) et en longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte...), l'indiscernabilité entre les photons d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :), ils ont observé et quantifié l'interférence HOM de plus de 4000 paires de photons intriqués de grande dimensionnalité spatiale et temporelle. Ce qui équivaut à une dimensionnalité spatio-temporelle totale de 3 millions de photons intriqués.

En démontrant que l'interférence HOM peut être obtenue en manipulant des états quantiques de dimensionnalité géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes forment deux branches au-dessus de la séquence...), cette expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences répétées la validité d'une hypothèse et à obtenir des données quantitatives permettant de l'affiner. Elle est pratiquée par un ou...) ouvre la voie au développement de protocoles d'information quantique de très haute dimension utilisant des variables spatiales et temporelles.

Références:
Imaging spatio-temporal Hong-Ou-Mandel interference of biphoton state of extremely high Schmidt number,
F. Devaux, A. Mosset P.A. Moreau, et E. Lantz,
Physical Review X, août 2020.
DOI: doi.org/10.1103/PhysRevX.10.031031

Contacts:
- Communication INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...).fr
- Fabrice Devaux - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur...) - fabrice.devaux at univ-fcomte.fr
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