Des chercheurs de l’Université Purdue ont piégé des atomes alcalins (césium) sur un circuit photonique intégré, qui se comporte comme un transistor pour les photons (la plus petite unité d’énergie de la lumière) similaire aux transistors électroniques. Ces atomes piégés démontrent le potentiel de construire un réseau quantique basé sur des circuits nanophotoniques intégrés à atomes froids.
L’équipe, dirigée par Chen-Lung Hung, professeur associé de physique et d’astronomie au Purdue University College of Science, a publié sa découverte dans Examen physique X.
« Nous avons développé une technique permettant d’utiliser des lasers pour refroidir et piéger étroitement les atomes sur un circuit nanophotonique intégré, où la lumière se propage dans un petit « fil » photonique, ou plus précisément, un guide d’ondes plus de 200 fois plus fin qu’un cheveu humain », explique Hung, qui est également membre du Purdue Quantum Science and Engineering Institute.
« Ces atomes sont « gelés » à moins 459,67 degrés Fahrenheit, soit seulement 0,00002 degrés au-dessus de la température du zéro absolu, et sont essentiellement immobiles. À cette température froide, les atomes peuvent être capturés par un « faisceau tracteur » dirigé vers le guide d’ondes photoniques et sont placés au-dessus de celui-ci à une distance bien plus courte que la longueur d’onde de la lumière, environ 300 nanomètres, soit à peu près la taille d’un virus. À cette distance, les atomes peuvent interagir très efficacement avec les photons confinés dans le guide d’ondes photoniques.
« À l’aide d’instruments de nanofabrication de pointe au Birck Nanotechnology Center, nous modelons le guide d’ondes photoniques en une forme circulaire d’un diamètre d’environ 30 microns (trois fois plus petit qu’un cheveu humain) pour former ce que l’on appelle un résonateur à micro-anneau. La lumière circulerait dans le résonateur à micro-anneau et interagirait avec les atomes piégés », ajoute Hung.
L’un des aspects clés de la fonction démontrée par l’équipe dans cette recherche est que ce résonateur à micro-anneau couplé à des atomes sert de « transistor » pour les photons. Ils peuvent utiliser ces atomes piégés pour bloquer le flux de lumière à travers le circuit. Si les atomes sont dans le bon état, les photons peuvent passer à travers le circuit. Les photons sont entièrement bloqués si les atomes sont dans un autre état. Plus les atomes interagissent avec les photons, plus cette barrière est efficace.
« Nous avons piégé jusqu’à 70 atomes qui pourraient se coupler collectivement aux photons et assurer leur transmission sur une puce photonique intégrée. Cela n’avait jamais été réalisé auparavant », explique Xinchao Zhou, étudiant diplômé à Purdue Physics and Astronomy. Zhou est également le bénéficiaire de la bourse de thèse Bilsand de cette année.
L’équipe de recherche est basée à l’université Purdue de West Lafayette, dans l’Indiana. Hung a été le chercheur principal et a supervisé le projet. Zhou a réalisé l’expérience visant à piéger les atomes sur le circuit intégré, qui a été conçu et fabriqué en interne par Tzu-Han Chang, un ancien postdoctorant qui travaille désormais avec le professeur Sunil Bhave au Birck Nanotechnology Center. Les parties critiques de l’expérience ont été mises en place par Zhou et Hikaru Tamura, ancien postdoctorant à Purdue au moment des recherches et aujourd’hui professeur adjoint à l’Institut des sciences moléculaires au Japon.
« Notre technique, que nous avons détaillée dans l’article, nous permet de refroidir très efficacement par laser de nombreux atomes sur un circuit photonique intégré. Une fois que de nombreux atomes sont piégés, ils peuvent interagir collectivement avec la lumière se propageant sur le guide d’ondes photoniques », explique Zhou.
« C’est unique pour notre système car tous les atomes sont identiques et indiscernables, ils pourraient donc se coupler à la lumière de la même manière et développer une cohérence de phase, permettant aux atomes d’interagir avec la lumière collectivement avec une force plus forte. Imaginez simplement un bateau se déplaçant plus rapidement lorsque tous les rameurs rament le bateau en synchronisation par rapport à un mouvement non synchronisé », explique Hung.
« En revanche, les émetteurs à semi-conducteurs intégrés dans un circuit photonique ne sont pas vraiment « identiques » en raison des environnements légèrement différents qui influencent chaque émetteur. Il est beaucoup plus difficile pour de nombreux émetteurs à semi-conducteurs de développer une cohérence de phase et d’interagir collectivement avec les photons comme des atomes froids. Nous pourrions utiliser des atomes froids piégés dans le circuit pour étudier de nouveaux effets collectifs », poursuit Hung.
La plateforme démontrée dans cette recherche pourrait fournir un lien photonique pour le futur calcul quantique distribué basé sur des atomes neutres. Elle pourrait également servir de nouvelle plateforme expérimentale pour l’étude des interactions collectives lumière-matière et pour la synthèse de gaz piégés dégénérés quantiques ou de molécules ultrafroides.
« Contrairement aux transistors électroniques utilisés dans la vie quotidienne, notre circuit photonique intégré couplé à des atomes obéit aux principes de la superposition quantique », explique Hung. « Cela nous permet de manipuler et de stocker des informations quantiques dans des atomes piégés, qui sont des bits quantiques appelés qubits. Notre circuit peut également transférer efficacement les informations quantiques stockées en photons qui pourraient « voler » à travers le fil photonique et un réseau de fibres pour communiquer avec d’autres circuits intégrés couplés à des atomes ou des interfaces atome-photon. Nos recherches démontrent qu’il est possible de construire un réseau quantique basé sur des circuits nanophotoniques intégrés à atomes froids. »
L’équipe travaille sur ce domaine de recherche depuis plusieurs années et compte bien poursuivre ses recherches avec vigueur. Parmi les découvertes de recherche passées liées à ce travail, on compte des avancées récentes telles que la réalisation de la méthode du « faisceau tracteur » en 2023 citant Zhou comme premier auteur, et leréalisation d’un couplage fibre optique hautement efficace à une puce photonique en 2022 avec une demande de brevet en cours aux États-Unis. De nouvelles pistes de recherche ont été ouvertes grâce à la démonstration réussie par l’équipe d’atomes refroidis et piégés de manière très efficace sur un circuit. L’avenir de ces recherches est prometteur et de nombreuses pistes restent à explorer.
« Il y a plusieurs étapes prometteuses à explorer », déclare Hung. « Nous pourrions disposer les atomes piégés dans un réseau organisé le long du guide d’ondes photonique. Ces atomes peuvent se coupler collectivement au guide d’ondes par interférence constructive, mais ne peuvent pas émettre de photons dans l’espace libre environnant en raison d’interférences destructives. Nous souhaitons construire la première plateforme nanophotonique permettant de réaliser ce que l’on appelle la « radiance sélective » proposée par les théoriciens ces dernières années pour améliorer la fidélité du stockage des photons dans un système quantique. »
« Nous pourrions également essayer de former de nouveaux états de matière quantique sur un circuit photonique intégré pour étudier la physique à quelques et à plusieurs corps avec des interactions atome-photon. Nous pourrions refroidir les atomes plus près de la température du zéro absolu pour atteindre la dégénérescence quantique afin que les atomes piégés puissent former un gaz de condensat de Bose-Einstein à forte interaction. Nous pourrions également essayer de synthétiser des molécules froides à partir des atomes piégés avec le couplage radiatif amélioré du résonateur à micro-anneaux. »
Plus d’information:
Xinchao Zhou et al., Atomes piégés et superradiance sur un circuit intégré de micro-anneaux nanophotoniques, Examen physique X (2024). DOI : 10.1103/PhysRevX.14.031004