Pour la première fois, des physiciens ont réussi à « diviser » un photon en trois

faisceau lumiere
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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.

spdc procede optique photons
Dans un système SPDC standard, la conversion descendante génère deux photons à partir d’un photon « pompe ». Les deux photons produits sont intriqués et possèdent une énergie et quantité de mouvement totale égale à celle du photon d’origine. Crédits : Wikipédia

« 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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Le laboratoire de Chris Wilson. Crédits : Université de Waterloo

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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.

Source : Physical Review X

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