Une équipe de recherche synchronise des photons uniques à l’aide d’une mémoire quantique atomique

Un défi de longue date dans le domaine de la physique quantique est la synchronisation efficace des photons individuels et générés indépendamment (c’est-à-dire les particules de lumière). Réaliser cela aurait des implications cruciales pour le traitement de l’information quantique qui repose sur les interactions entre plusieurs photons.

Des chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences ont récemment démontré la synchronisation de photons uniques générés indépendamment à l’aide d’une mémoire quantique atomique fonctionnant à température ambiante. Leur article, publié dans Lettres d’examen physiquepourraient ouvrir de nouvelles voies pour l’étude des états multi-photons et leur utilisation dans le traitement de l’information quantique.

« L’idée du projet est née il y a plusieurs années, lorsque notre groupe et le groupe d’Ian Walmsley ont démontré une mémoire quantique atomique avec un schéma de niveau atomique inversé par rapport aux mémoires typiques – la mémoire à échelle, appelée mémoire à échelle rapide (FLAME), » Omri Davidson, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, a déclaré à Phys.org. « Ces mémoires sont rapides et sans bruit, et sont donc utiles pour la synchronisation de photons uniques. »

Le calcul quantique photonique et d’autres protocoles d’information quantique reposent sur la génération réussie d’états multiphotons. Comme la plupart des sources quantiques utilisées dans la recherche à ce jour sont probabilistes, elles ne conviennent pas pour générer des états multi-photons à un rythme raisonnable.

Dans le cadre de leur étude récente, Davidson et ses collègues ont entrepris d’explorer la possibilité de réaliser ces états à l’aide d’une mémoire quantique atomique, des dispositifs capables de stocker les états quantiques des photons tout en conservant les informations quantiques qu’ils transportent. Leur prédiction était que leur mémoire quantique atomique serait capable de stocker des photons générés de manière probabiliste et de les libérer à la demande pour générer un état multi-photon.

« L’objectif de la recherche actuelle était de démontrer pour la première fois la synchronisation de photons uniques à l’aide d’une mémoire quantique atomique indépendante à température ambiante », a déclaré Davidson. « Pour y parvenir, nous avons dû reconstruire la mémoire avec plusieurs améliorations, ainsi que construire une source de photons uniques qui génère des photons qui peuvent s’interfacer efficacement avec la mémoire. Enfin, nous avons été mis en place pour démontrer la synchronisation photonique réelle, qui s’est interfacée la source de photons et les modules de mémoire, avec une électronique de contrôle appropriée de l’expérience. »

FLAME, la mémoire quantique utilisée par les chercheurs et développée dans le cadre de leurs recherches précédentes, repose sur un schéma au niveau atomique inversé, appelé schéma en échelle. Comparé aux mémoires à l’état fondamental conventionnelles, qui sont généralement lentes et vulnérables au bruit, FLAME est à la fois rapide et sans bruit, mais il ne peut stocker des informations que pendant des périodes plus courtes. Comme la vitesse et l’absence de bruit sont des propriétés essentielles pour la synchronisation des photons uniques, ils espéraient que cela leur permettrait de générer des états quantiques multiphotons.

« Le deuxième avantage de notre schéma d’échelle spécifique dans les atomes de rubidium est la faible inadéquation de la longueur d’onde des transitions du signal et des champs lumineux de contrôle », a expliqué Davidson. « Cela permet une durée de vie relativement longue de la mémoire par rapport à d’autres schémas d’échelle avec un décalage de longueur d’onde plus important, en raison du plus petit élargissement Doppler à deux photons. Enfin, nous avons généré les photons en utilisant la même structure au niveau atomique que notre mémoire, ce qui permet un couplage efficace des photons avec la mémoire. »

Les nombreux avantages du schéma de mémoire FLAME de l’équipe ont collectivement contribué au succès de leur expérience, leur permettant de synchroniser les photons individuels à un taux élevé. En utilisant leur mémoire quantique atomique, ils ont pu stocker et récupérer des photons uniques avec une efficacité de bout en bout de ηe2e = 25 % et un antigroupage final de g (2) h = 0,023, atteignant un taux de plus de 1 000 paires de photons synchronisés par seconde.

G (2) h, ou antigroupement de photons, est une mesure de la « singularité » des photons uniques. Les photons uniques parfaits ont g(2)h= 0 , alors que la lumière classique a g(2)h= 1. Ainsi, à g(2)h= 0,023, les photons synchronisés par les chercheurs restent des photons uniques presque parfaits, grâce à le fonctionnement sans bruit de la mémoire.

« Nous avons pu synchroniser à haut débit des photons compatibles avec les systèmes atomiques », a déclaré Davidson. « Les photons compatibles avec les atomes sont importants pour de nombreux protocoles d’information quantique photonique, comme une porte d’enchevêtrement déterministe à deux qubits. Les démonstrations précédentes de synchronisation de photons utilisaient soit des photons à large bande qui ne sont pas compatibles avec les systèmes atomiques, soit des photons compatibles avec les systèmes atomiques. avec des taux extrêmement bas. »

Le taux de synchronisation des photons atteint par Davidson et ses collègues dans leurs expériences est plus de 1 000 fois supérieur à celui des démonstrations précédentes utilisant des photons compatibles avec les systèmes atomiques. Leurs travaux ouvrent de nouvelles voies pour l’étude des interactions entre les états multiphotoniques et les atomes, comme les portes d’intrication biphotoniques dites déterministes. À l’avenir, cela pourrait avoir des implications précieuses à la fois pour la réalisation de systèmes de traitement de l’information quantique et d’optique quantique.

« Nous explorons actuellement deux voies de recherche », a ajouté Davidson. « Le premier est de réaliser de fortes interactions photon-photon avec des atomes de rubidium, dans un système similaire à celui utilisé pour la synchronisation. Atteindre cet objectif nous permettra de démontrer une porte d’intrication déterministe entre les photons uniques synchronisés.

« Ces portes sont un élément important du calcul quantique photonique, car elles permettent de réduire la surcharge de ressources par rapport aux méthodes actuellement utilisées (appelées calcul quantique à optique linéaire). À ce jour, ces portes n’ont été démontrées qu’avec des configurations d’atomes froids, et non d’atomes chauds. , ce qui limite l’évolutivité de ces systèmes. »

Dans leurs prochaines études, Davidson et ses collègues prévoient également de développer davantage leur mémoire FLAME, lui permettant de stocker un qubit photonique (c’est-à-dire un photon dans une superposition quantique de deux états de polarisation), plutôt que de stocker uniquement des photons individuels dans un état de polarisation. . Cela pourrait à terme leur permettre d’effectuer des calculs quantiques à l’aide de photons.

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