Des chercheurs développent une source lumineuse qui produit deux faisceaux lumineux enchevêtrés

Les scientifiques étudient de plus en plus l’intrication quantique, qui se produit lorsque deux ou plusieurs systèmes sont créés ou interagissent de telle manière que les états quantiques de certains ne peuvent être décrits indépendamment des états quantiques des autres. Les systèmes sont corrélés, même lorsqu’ils sont séparés par une grande distance. Le potentiel important d’applications dans le chiffrement, les communications et l’informatique quantique stimule la recherche. La difficulté est que lorsque les systèmes interagissent avec leur environnement, ils se démêlent presque immédiatement.

Dans la dernière étude du Laboratoire de manipulation cohérente des atomes et de la lumière (LMCAL) de l’Institut de physique de l’Université de São Paulo (IF-USP) au Brésil, les chercheurs ont réussi à développer une source lumineuse qui produit deux faisceaux lumineux intriqués. Leurs travaux sont publiés dans Lettres d’examen physique.

« Cette source de lumière était un oscillateur paramétrique optique, ou OPO, qui est généralement constitué d’un cristal à réponse optique non linéaire entre deux miroirs formant une cavité optique. Lorsqu’un faisceau vert vif brille sur l’appareil, la dynamique cristal-miroir produit deux faisceaux lumineux avec des corrélations quantiques », a déclaré le physicien Hans Marin Florez, dernier auteur de l’article.

Le problème est que la lumière émise par les OPO à base de cristaux ne peut pas interagir avec d’autres systèmes d’intérêt dans le cadre de l’information quantique, comme les atomes froids, les ions ou les puces, puisque sa longueur d’onde n’est pas la même que celles des systèmes en question. « Notre groupe a montré dans des travaux antérieurs que les atomes eux-mêmes pouvaient être utilisés comme support au lieu d’un cristal. Nous avons donc produit le premier OPO à base d’atomes de rubidium, dans lequel deux faisceaux étaient intensément corrélés quantiques, et obtenu une source qui pouvait interagir avec d’autres systèmes ayant le potentiel de servir de mémoire quantique, comme les atomes froids », a déclaré Florez.

Cependant, cela n’était pas suffisant pour montrer que les faisceaux étaient emmêlés. En plus de l’intensité, les phases des faisceaux, qui ont à voir avec la synchronisation des ondes lumineuses, devaient également afficher des corrélations quantiques. « C’est précisément ce que nous avons réalisé dans la nouvelle étude publiée dans Lettres d’examen physique, » il a dit.

« Nous avons répété la même expérience mais ajouté de nouvelles étapes de détection qui nous ont permis de mesurer les corrélations quantiques dans les amplitudes et les phases des champs générés. En conséquence, nous avons pu montrer qu’ils étaient intriqués. De plus, la technique de détection nous a permis de observez que la structure d’intrication était plus riche que ce qui serait généralement caractérisé. Au lieu de deux bandes adjacentes du spectre étant intriquées, ce que nous avions réellement produit était un système comprenant quatre bandes spectrales intriquées.

Dans ce cas, les amplitudes et les phases des ondes étaient intriquées. Ceci est fondamental dans de nombreux protocoles pour traiter et transmettre des informations codées quantiques. Outre ces applications possibles, ce type de source lumineuse pourrait également être utilisé en métrologie. « Les corrélations quantiques d’intensité entraînent une réduction considérable des fluctuations d’intensité, ce qui peut améliorer la sensibilité des capteurs optiques », a déclaré Florez. « Imaginez une fête où tout le monde parle et vous n’entendez personne de l’autre côté de la pièce. Si le bruit diminue suffisamment, si tout le monde s’arrête de parler, vous pouvez entendre ce que quelqu’un dit à une bonne distance. »

L’amélioration de la sensibilité des magnétomètres atomiques utilisés pour mesurer les ondes alpha émises par le cerveau humain est l’une des applications potentielles, a-t-il ajouté.

L’article note également un avantage supplémentaire des OPO de rubidium par rapport aux OPO de cristal. « Les OPO à cristaux doivent avoir des miroirs qui maintiennent plus longtemps la lumière à l’intérieur de la cavité, afin que l’interaction produise des faisceaux corrélés quantiques, alors que l’utilisation d’un milieu atomique dans lequel les deux faisceaux sont produits plus efficacement qu’avec des cristaux évite le besoin de miroirs emprisonner la lumière pendant si longtemps », a déclaré Florez.

Avant que son groupe ne mène cette étude, d’autres groupes avaient essayé de fabriquer des OPO avec des atomes mais n’avaient pas réussi à démontrer des corrélations quantiques dans les faisceaux lumineux produits. La nouvelle expérience a montré qu’il n’y avait pas de limite intrinsèque dans le système pour empêcher que cela se produise. « Nous avons découvert que la température des atomes est la clé de l’observation des corrélations quantiques. Apparemment, les autres études ont utilisé des températures plus élevées qui ont empêché les chercheurs d’observer les corrélations », a-t-il déclaré.