Observation du retard de groupe induit par le gain entre les impulsions multiphotoniques générées dans une source de conversion descendante spontanée

La conversion paramétrique spontanée (SPDC) et le mélange spontané à quatre ondes sont de puissants processus optiques non linéaires qui peuvent produire des faisceaux de lumière multiphotons dotés de propriétés quantiques uniques. Ces processus pourraient être exploités pour créer diverses technologies quantiques, notamment des processeurs informatiques et des capteurs exploitant les effets de la mécanique quantique.

Des chercheurs du Conseil national de recherches du Canada et de l’École Polytechnique de Montréal ont récemment réalisé une étude observant les effets émergents dans le processus SPDC. Leur papier, publié dans Lettres d’examen physiquerapporte l’observation d’un retard de groupe induit par le gain dans les impulsions multiphotoniques générées dans SPDC.

« L’inspiration pour cet article est venue de l’étude d’un processus appelé SPDC », a déclaré Nicolás Quesada, auteur principal de l’article, à Phys.org. « C’est peu dire que certains matériaux sont capables de prendre un photon violet (dont est constituée la particule lumineuse) et de le transformer en deux photons rouges.

« Il s’agit d’un phénomène extrêmement polyvalent qui permet aux physiciens de générer de la lumière avec des corrélations intéressantes, car les deux photons rouges « filles » naissent en même temps et doivent avoir exactement l’énergie et l’élan de leur photon violet « mère ». « 

Au cours des dernières décennies, le SPDC a fait l’objet de nombreuses études en physique. Jusqu’à présent, ce processus a été principalement étudié dans un régime particulier, dans lequel les chercheurs convertissaient un photon violet en deux photons rouges environ une fois sur 100 au cours de chaque expérience.

« Au cours de mon doctorat, j’ai étudié ce qui se passe lorsque la probabilité de produire deux photons filles commence à se rapprocher de l’unité, puis, au-delà de ce point, lorsque vous produisez plus d’une paire de photons pour chaque série d’expériences », a déclaré Quesada.

« Nous avons constaté que la couleur dans laquelle naissent les photons filles commence à changer légèrement et, de plus, que l’efficacité du processus (combien de photons « rouges » naissent par photon « violet ») change également. »

Lorsque Quesada a commencé à explorer la possibilité de créer deux photons filles ou plus pour chaque expérience expérimentale, il n’avait pas encore identifié de moyens de mesurer cela expérimentalement. Mais cette année, son collègue Guillaume Thekkadath a remarqué que de légers changements de couleur pouvaient également se refléter dans des horaires d’arrivée différents des photons filles, puisqu’on passe d’à peine une paire à une multitude de paires.

« Nous avons observé que l’augmentation du nombre de photons générés par le processus SPDC provoquait un décalage dans l’heure d’arrivée des deux photons filles », a expliqué Thekkadath.

« Pour étudier cet effet, nous avons apporté deux modifications clés à la configuration expérimentale conventionnelle du SPDC. Premièrement, nous avons utilisé un laser haute puissance capable de délivrer des impulsions ultracourtes (femtoseconde), compressant son énergie en rafales extrêmement courtes. Ces impulsions ont ensuite été amplifiées pour atteindre les intensités élevées nécessaires pour générer plusieurs paires de photons filles dans le cristal SPDC. Deuxièmement, nous avons mis en œuvre une technique appelée « interférométrie spectrale » pour mesurer les temps d’arrivée des photons avec une grande précision.

Thekkadath, Quesada et leurs collègues ont fait passer les photons générés par leur laser haute puissance à travers une fibre optique de plusieurs kilomètres de long, ce qui a étiré temporellement l’impulsion photonique. Par la suite, ils ont utilisé des détecteurs à nanofils supraconducteurs, des dispositifs très sensibles capables de détecter des photons uniques avec des résolutions temporelles exceptionnelles, pour enregistrer les heures d’arrivée des photons.

Les résultats qu’ils ont collectés ont confirmé la présence d’un retard de groupe induit par le gain entre les impulsions multiphotoniques générées dans leur source SPDC. Cette observation pourrait avoir des implications importantes pour le développement futur de dispositifs exploitant les interférences quantiques.

« Nos résultats impliquent qu’il faut être très prudent lorsqu’on interfère avec la lumière provenant de sources SPDC qui produisent des paires de photons à différentes luminosités (qui produisent en moyenne un nombre différent de paires) », a déclaré Quesada.

« Si l’on ne fait pas attention et que des photons provenant de deux sources différentes arrivent à un interféromètre à des moments différents, ils sont incapables de réaliser une prouesse de mécanique quantique connue sous le nom d’interférence de Hong-Ou-Mandel. Cette interférence est celle qui permet aux ordinateurs quantiques constitués de lumière pour surpasser les capacités des ordinateurs classiques.

L’un des co-auteurs de cet article récent, Martin Houde, a récemment tenté de concevoir de meilleures sources SPDC dans lesquelles les photons sortent simultanément, quelle que soit la luminosité des impulsions laser émises. Quesada et ses collègues de l’École Polytechnique de Montréal ont également tenté de déterminer comment les différents temps d’arrivée des photons, qui pourraient être source d’erreurs, affectent le fonctionnement des ordinateurs quantiques photoniques.

« Notre source SPDC était relativement » brillante « , générant des centaines de paires de photons filles par rapport à la plupart des sources, qui ne produisent généralement qu’une seule paire », a ajouté Thekkadath.

« Cependant, beaucoup de ces photons ont été perdus avant d’atteindre le détecteur optique. Ces pertes se produisent pour diverses raisons, telles que les réflexions des éléments optiques comme les lentilles ou la capture incomplète par les fibres optiques. La perte d’un photon d’une paire est problématique car elle perturbe la corrélations quantiques essentielles pour des technologies telles que les capteurs quantiques améliorés.

Dans le cadre de leurs prochaines études, Thekkadath et ses collègues du Conseil national de recherches du Canada tentent de concevoir des stratégies pour minimiser les pertes optiques dans les dispositifs quantiques. En outre, ils tentent de déterminer comment les sources de paires de photons qu’ils ont examinées pourraient être exploitées pour la détection et l’informatique quantiques, indépendamment des pertes de photons associées.

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