La nature même de la lumière fascine autant le commun des mortels que les scientifiques. Les propriétés ondulatoires du photon ne sont plus à prouver, tout comme ses propriétés corpusculaires. La lumière serait théoriquement un mélange alternant de ces deux caractéristiques, un principe connu sous le nom de dualité onde-corpuscule. Récemment, des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo (Canada), auraient réussi un exploit passionnant avec un système optique : la première « division » directe d’un photon en trois photons distincts.
Cette réussite pourrait nous en apprendre davantage sur la nature corpusculaire du photon et contribuer à diverses applications technologiques, telle que l’informatique quantique.
L’occurrence, la première en son genre, a été possible grâce à un procédé optique appelé conversion paramétrique descendante spontanée (SPDC, ou tout simplement « Convertisseur bas »), utilisé en optique quantique pour obtenir deux photons corrélés à partir d’un seul photon « pompe ».
Le procédé a notamment permis de créer ce que les chercheurs appellent un « état de lumière non gaussien ». L’état de lumière non gaussien est considéré comme un ingrédient essentiel pour obtenir la suprématie quantique.
« Il était entendu qu’il y avait des limites au type d’enchevêtrement généré avec la version à deux photons du système, mais ces résultats constituent la base d’un nouveau paradigme passionnant de l’optique quantique à trois photons », a déclaré Chris Wilson, chercheur principal à la faculté IQC et professeur de génie électrique et informatique à l’université de Waterloo. L’étude a été publiée dans la revue Physical Review X.
« Étant donné que cette recherche nous amène au-delà de la capacité connue de diviser un photon en deux photons fils enchevêtrés, nous sommes optimistes sur le fait d’avoir ouvert une nouvelle zone d’exploration », ajoute-t-il.
La conversion paramétrique descendante spontanée au service de l’informatique quantique
« La version à deux photons est un cheval de bataille pour la recherche quantique depuis plus de 30 ans », a déclaré Wilson. « Nous pensons que le fait de gérer un tel système à trois photons nous permettra de dépasser les limites et ainsi encourager de nouvelles recherches théoriques et applications expérimentales et, espérons-le, le développement de l’informatique quantique optique utilisant des unités supraconductrices ».
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Wilson a utilisé des photons micro-ondes pour repousser les limites connues des systèmes SPDC. L’implémentation expérimentale a exploité un résonateur paramétrique supraconducteur. Le résultat a clairement montré une forte corrélation entre trois photons générés à différentes fréquences. Les recherches en cours visent maintenant à démontrer que les photons générés sont bien enchevêtrés.
« Les états et les opérations non gaussiens sont un ingrédient essentiel pour obtenir la suprématie quantique », a déclaré Wilson. « Ils sont très difficiles à simuler et à modéliser de manière classique, ce qui a entraîné une pénurie de travaux théoriques pour cette application ».
Cet exploit de laboratoire nous rapproche davantage de systèmes optiques ultra-performants, posant les fondements technologiques de l’informatique quantique de demain et on l’espère, des ordinateurs quantiques grand public.