Des chercheurs sont pour la première fois parvenus à générer des photons intriqués quantiquement avec de la lumière solaire. La lumière solaire pourrait produire des niveaux d’intrication comparables à ceux obtenus avec un laser à condition de tenir compte des différences de largeur de bande de la lumière incidente. Ces résultats pourraient ouvrir des pistes pour des technologies quantiques utilisant des sources lumineuses plus facilement disponibles et potentiellement moins énergivores.
Les technologies quantiques ont le potentiel de révolutionner le traitement de l’information en offrant des avantages de calcul qui seraient hors de portée des dispositifs classiques, en permettant le développement de systèmes de communication dont la sécurité peut, sous certaines conditions, être garantie par les principes de la mécanique quantique et en offrant une résolution de détection allant au-delà des limites des détecteurs classiques de pointe.
Cependant, si d’importantes avancées dans le domaine ont vu le jour au cours des cinq dernières années, des préoccupations commencent à émerger quant à leur durabilité et aux coûts énergétiques que ces technologies pourraient entraîner dans les années à venir. Les technologies classiques d’information et de communication représentent déjà, à elles seules, jusqu’à 3,9 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre.
Compte tenu de la hausse constante du trafic de données mondial, le déploiement à grande échelle de technologies quantiques de l’information et de la communication pourrait entraîner une hausse de la consommation énergétique.
Une part importante de la consommation énergétique des plateformes quantiques actuelles provient de la préparation et du contrôle des systèmes physiques qui les soutiennent. Dans les systèmes quantiques photoniques, la génération d’états quantiques implique généralement l’utilisation de lasers, qui consomment plusieurs watts de puissance électrique pour générer une puissance optique de l’ordre du milliwatt.
Une part importante de la consommation énergétique est consacrée à la stabilisation du spectre des lasers et au contrôle de la température. Ce besoin énergétique pourrait à terme limiter l’évolutivité et l’accessibilité de ces technologies une fois déployées à l’échelle commerciale.
Pour surmonter cette limite, un groupe international de chercheurs propose d’utiliser directement la lumière solaire à la place des lasers pour générer des photons intriqués.
« Cette technologie pourrait un jour permettre aux satellites de créer des clés de chiffrement sécurisées grâce à la lumière solaire déjà abondante dans l’espace, réduisant ainsi le besoin de lasers embarqués et d’une grande partie du matériel associé », a déclaré dans un communiqué l’auteur principal de l’étude, Cheng Li, récemment diplômé de l’Université d’Ottawa, au Canada.
« La génération d’intrication par la lumière solaire pourrait également contribuer au passage à l’échelle de l’informatique quantique sans augmenter fortement sa consommation d’énergie. »
Apprivoiser l’incohérence de la lumière solaire
Les physiciens pensaient initialement qu’une forte cohérence de la lumière était nécessaire pour produire des photons intriqués, d’où l’utilisation de lasers. Une lumière est cohérente lorsque ses différentes phases présentent des relations de phase stables dans le temps et dans l’espace. Les lasers produisent une lumière fortement cohérente, généralement concentrée dans une bande spectrale étroite.
Les chercheurs de l’étude ont cependant remis cette hypothèse en question en démontrant expérimentalement, dans des travaux antérieurs, qu’une lumière fortement incohérente peut néanmoins permettre de produire des photons intriqués en polarisation. Autrement dit, la lumière peut être désynchronisée dans une caractéristique, comme sa direction de propagation, tout en créant des photons intriqués selon une autre caractéristique, comme la polarisation.
La génération de photons intriqués par le biais de la lumière solaire constitue cependant un défi, car la lumière solaire est fortement incohérente spatialement et temporellement : elle présente notamment une grande diversité de directions de propagation et de fréquences. Pour générer des photons intriqués, Li et ses collègues ont donc utilisé une technique appelée conversion paramétrique spontanée (SPDC).
Dans ce procédé, un faisceau de pompe traverse un cristal non linéaire, où les photons de pompe peuvent donner naissance à des paires de photons susceptibles d’être intriqués. « Nous avons conçu notre dispositif expérimental de manière à ce que les différences induites par les diverses couleurs et directions de propagation n’influencent pas la polarisation des photons », explique Li.
Obtenir une puissance de pompe suffisante sur un cristal non linéaire ne mesurant qu’environ un millimètre de long, comme ceux qui composent les dispositifs classiques de concentration de la lumière, constituait cependant un défi supplémentaire.
L’équipe a résolu le problème en concevant un concentrateur solaire entièrement en verre et en forme de cône, captant la lumière à l’aide d’une lentille de Fresnel de la taille d’une fenêtre et la canalisant dans une fibre optique d’un diamètre comparable à celui d’un cheveu. La lumière solaire concentrée est ensuite dirigée vers le minuscule cristal non linéaire qui produit les photons intriqués.
Une intrication solaire proche de l’état idéal
L’analyse des états quantiques des photons générés indique que l’état produit présentait une fidélité d’environ 94 % par rapport à un état parfaitement intriqué.
« Comme le prédit notre théorie, si l’intrication est uniquement portée par la polarisation, elle ne devrait dépendre que de la cohérence de polarisation de la pompe, et non de sa direction de propagation ou de son spectre. Cela nous a permis de produire une intrication de polarisation de haute qualité à partir de la lumière solaire, fortement incohérente spatialement et temporellement », indique Li.
À l’étape suivante, les chercheurs prévoient de développer un système utilisable hors du laboratoire. Leurs efforts porteront notamment sur l’augmentation du flux de photons et l’amélioration de la qualité de l’intrication. Les résultats de l’étude sont publiés dans la revue Optica.
