doctorat Le candidat Petr Steindl crée des structures lumineuses complexes à l’aide de photons uniques. Adolescent, il voulait étudier la poésie tchèque mais a opté pour la physique quantique. « Avec le recul, je suis content d’avoir changé de domaine », dit-il. Le 5 juillet, il soutiendra sa thèse sur l’optique quantique et les systèmes de points quantiques.
« En termes simples, un point quantique est un petit îlot de matériau semi-conducteur », explique Steindl. « Parce qu’il ne mesure que quelques nanomètres, il ressent des effets quantiques, tout comme un atome. » Le chercheur place cette boîte quantique dans une microcavité optique pour la manipuler plus efficacement.
« Vous pouvez imaginer cette cavité comme deux miroirs se faisant face. La lumière laser rebondit entre eux. Le point quantique n’aime pas interagir avec la lumière, mais la cavité optique le rend plus probable car le laser passe le point plusieurs fois. »
Utiliser des photons uniques comme des briques dans une maison
Cet appareil ingénieux peut être utilisé pour créer des photons uniques, explique Steindl. « Le laser résonant excite un électron dans le point quantique de son état d’énergie fondamentale à un état supérieur. Lorsqu’il retombe à l’état fondamental, le point quantique émet un seul photon. La microcavité dirige commodément ce photon vers le reste de notre configuration . Le défi, cependant, est de séparer ce photon de la lumière laser. Il a la même longueur d’onde que le laser mais une polarisation légèrement différente. Vous pouvez exploiter cette propriété pour isoler le photon. Au cours de mon doctorat, j’ai exploré et amélioré cette technique. »
L’obtention des photons uniques n’était que la première étape des recherches de Steindl. « Lorsque vous avez des photons uniques de haute qualité, des particules de lumière, c’est un peu comme une brique », dit-il. « Avec des briques, vous pouvez commencer à construire une maison. Mon objectif était de combiner des photons individuels pour construire des structures de lumière complexes. Par exemple, nous avons créé une chaîne de plusieurs photons intriqués. Intriqué signifie qu’ils sont si étroitement liés que vous ne pouvez pas décrire un photon indépendamment de l’autre. Nous voulons mieux comprendre ces nouveaux états de lumière. »
La physique des photons uniques
La physique du photon unique est un domaine relativement nouveau. Dans les années 1970, des physiciens parviennent pour la première fois à isoler un photon. Cependant, ces sources de photons uniques n’étaient pas encore très efficaces ou robustes. Les développements technologiques comme l’utilisation des points quantiques dans les microcavités optiques ont facilité le contrôle de la production de photons uniques.
Un autre avantage de la microcavité est que le photon est éjecté à grande vitesse, ce qui lui permet de mieux conserver son état. Il en résulte des photons uniques de haute qualité qui conviennent bien aux structures sur lesquelles Steindl travaille.
Avantages pour les technologies quantiques
La vision est d’utiliser éventuellement ces nouvelles structures lumineuses pour la communication quantique, explique Steindl. « Nous savons que les photons uniques sont utiles pour la sécurité et l’authentification. Par exemple, vous pouvez envoyer deux photons uniques identiques à partir d’emplacements différents sur un séparateur de faisceau. Si ces photons arrivent dans un état altéré ou non simultanément, vous savez qu’il y a eu une écoute indiscrète. »
La recherche pourrait également s’avérer utile pour la construction d’ordinateurs quantiques. Un composant fondamental est une porte quantique, mais ils sont difficiles à fabriquer. Ceux-ci ne seront pas nécessaires avec les structures sur lesquelles travaille Steindl.
« Je trouve totalement incroyable de construire ces structures légères », déclare Steindl. « Le fait qu’il soit possible de faire cela est ahurissant. Que nous puissions comprendre la physique à un niveau aussi profond. Bien que ce soit fascinant, le potentiel des applications quantiques me semble presque être un effet secondaire. Passer de la littérature au quantique était peut-être un grand pas, mais cela a été assez excitant pour y passer plusieurs années et je ne m’en lasse pas encore. »