Les photons, particules qui représentent un quantum de lumière, ont déjà démontré un grand potentiel de développement
Quel est le problème?
Malgré des résultats prometteursexpériences préliminaires, une avancée scientifique est nécessaire avant que les qubits photoniques puissent être mis en œuvre à grande échelle. Par exemple, on sait que les photons peuvent perdre de l'énergie et du rayonnement lorsqu'ils se déplacent d'un point à un autre et n'interagissent pas les uns avec les autres.
Chercheurs de l'Université de Copenhagueau Danemark, l'Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC en Espagne et l'Université de la Ruhr à Bochum en Allemagne ont récemment développé une stratégie pour surmonter l'un de ces problèmes, à savoir le manque d'interaction photon-photon. Leur méthode contribuera à terme au développement de dispositifs quantiques plus complexes.
Plus de 15 ans d'expériences
Les scientifiques ont travaillé sur des méthodes déterministescouplage d'émetteurs quantiques uniques (points quantiques) avec des photons uniques - plus de 15 ans. En conséquence, ils ont développé une méthode basée sur des guides d’ondes nanophotoniques.
Le déterminisme d'un objet peut s'expliqueravec l'aide de la doctrine du déterminisme (du latin determinare - « limiter, esquisser, déterminer »). Selon lui, tous les objets sont interconnectés et tous les phénomènes et processus sont mutuellement déterminés.
Généralement, ces appareils étaient utilisés poursources déterministes à photons uniques et sources d'intrication multiphotonique. Cependant, cela était également utile pour lancer des opérations non linéaires avec des photons.
Guide d'ondes - artificiel ou naturelun canal de guidage dans lequel une onde peut se propager. Le flux d’énergie transporté par l’onde se situe précisément à l’intérieur du canal lui-même. Une autre option est qu'il soit concentré dans la zone d'espace adjacente au canal.
Le concept de telles opérations a été démontré pour la première foisen 2015. Cependant, ils ont rencontré des difficultés lors de l'étude plus approfondie de cet effet. Ils portent sur des questions de physique fondamentale qui sont à la base de cette interaction complexe, monophotonique et non linéaire.
Dans des études antérieures, les scientifiquesdécouvert que la physique responsable de l’interaction non linéaire des impulsions lumineuses est également utile pour créer des portes quantiques photoniques et des « trieurs de photons ».
Par exemple, les scientifiques ont mené la première étude expérimentale sur les impulsions quantiques non linéaires, qui subissent une interaction non linéaire en raison de leur couplage avec un émetteur quantique couplé de manière déterministe.
Qu'ont fait les scientifiques ?
Dans la nouvelle expérience, les chercheurs ont utilisé le couplage efficace et cohérent d’un seul émetteur quantique à un guide d’ondes nanophotonique.L’objectif est de permettre une interaction quantique non linéaire entre des paquets d’ondes à photon unique.
Un paquet d’ondes est un ensemble spécifique d’ondes qui a des fréquences différentes.Ils décrivent une formation aux propriétés ondulatoires, généralement limitées dans le temps et dans l’espace.
Pour ce faire, les scientifiques ont utilisé une seule boîte quantique – une particule de taille nanométrique qui conduitIl a été intégré dans un guide d’ondes photonique-cristallin.
Ce qui est remarquable à propos de ces systèmes, c’est que le couplage est déterministe. Même un seul photon lancé dans un guide d’ondes interagitSi vous envoyez des impulsions qui contiennent deux photons ou plus, cela provoqueraC’est parce qu’un seul photon à la fois peutPar conséquent, en contrôlant la durée de cette impulsion quantique, les scientifiques peuventAjuster ces corrélations et interactions entre les photons.
Grâce à leur méthode expérimentale, les scientifiquesEssentiellement, ils ont pu contrôler un photon à l’aide d’un deuxième photon, médié par un émetteur quantique. En d’autres termes, ils ont réussi à mettre en œuvre une interaction photon-photon non linéaire et à forcer les particules à « communiquer ».
Où cela mène-t-il ?
En conséquence, les scientifiques ont développé une méthode quipermet aux photons d'interagir efficacement les uns avec les autres grâce à la communication avec des points quantiques. Cela aidera à créer de nouvelles orientations pour la création de portes quantiques photon-photon. Cette découverte sera également utile pour créer des dispositifs de tri déterministe de photons, nécessaires par exemple aux répéteurs quantiques.
Les répéteurs quantiques permettent de créerintrication sur des nœuds distants sans envoyer physiquement le qubit intriqué sur toute la distance. En termes simples, ils amplifient le signal et empêchent la décoloration des photons.
La nouvelle stratégie a des implications importantes à la fois pourrecherche dans le domaine de la physique quantique et pour le développement de technologies quantiques. Par exemple, la méthode ouvrira de nouvelles possibilités pour le développement de dispositifs d’optique quantique et permettra également aux physiciens d’expérimenter des états quantiques photoniques complexes sur mesure.
Et ensuite?
Les scientifiques ne vont pas s’arrêter et planifierélargir l'expérience. À un niveau fondamental, ils souhaitent mieux comprendre comment les états quantiques de la lumière sont affectés par le voyage à travers un seul point quantique. Cependant, les scientifiques sont convaincus que cette interaction quantique peut être appliquée dans la pratique.
Les physiciens tentent désormais d'utiliser des méthodes non linéairesinteraction photon-photon, mise en œuvre dans une étude récente, pour simuler la dynamique vibrationnelle des molécules. Ceci est possible en faisant correspondre la dynamique vibrationnelle de molécules complexes avec la propagation des photons dans des circuits photoniques avancés.
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Sur la couverture:deux photons se propageant dans un guide d'ondes et interagissant avec un seul émetteur quantique. En conséquence, les scientifiques ont réalisé une interaction photon-photon, qui aboutit à des corrélations. Crédit : Le Jeannic et al.