Un appareil mince déclenche l’un des phénomènes les plus étranges et les plus utiles de la mécanique quantique

Des scientifiques des Sandia National Laboratories et de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière ont fait état d’un appareil qui pourrait remplacer une salle remplie d’équipements pour lier les photons dans un effet quantique bizarre appelé intrication. Ce dispositif – une sorte de matériau nano-ingénierie appelé métasurface – ouvre la voie à l’enchevêtrement des photons de manière complexe qui n’a pas été possible avec les technologies compactes.

Lorsque les scientifiques disent que les photons sont intriqués, ils veulent dire qu’ils sont liés de telle manière que les actions sur l’un affectent l’autre, peu importe où et à quelle distance les photons se trouvent dans l’univers. C’est un effet de la mécanique quantique, les lois de la physique qui régissent les particules et d’autres choses minuscules.

Bien que le phénomène puisse sembler étrange, les scientifiques l’ont exploité pour traiter l’information de nouvelles façons. Par exemple, l’intrication aide à protéger les informations quantiques délicates et à corriger les erreurs dans l’informatique quantique, un domaine qui pourrait un jour avoir des répercussions considérables sur la sécurité nationale, la science et la finance. L’enchevêtrement permet également de nouvelles méthodes de cryptage avancées pour une communication sécurisée.

La recherche pour le dispositif révolutionnaire, qui est cent fois plus mince qu’une feuille de papier, a été effectuée, en partie, au Center for Integrated Nanotechnologies, une installation utilisateur du Department of Energy Office of Science gérée par les laboratoires nationaux Sandia et Los Alamos. L’équipe de Sandia a reçu un financement du programme Office of Science, Basic Energy Sciences.

La lumière entre, les photons intriqués sortent

La nouvelle métasurface agit comme une porte d’entrée vers ce phénomène quantique inhabituel. D’une certaine manière, c’est comme le miroir de « De l’autre côté du miroir » de Lewis Carrol, à travers lequel la jeune protagoniste Alice fait l’expérience d’un nouveau monde étrange.

Au lieu de parcourir leur nouvel appareil, les scientifiques y font passer un laser. Le faisceau de lumière traverse un échantillon de verre ultrafin recouvert de structures nanométriques constituées d’un matériau semi-conducteur commun appelé arséniure de gallium.

“Il brouille tous les champs optiques”, a déclaré le scientifique principal de Sandia Igal Brener, un expert dans un domaine appelé optique non linéaire qui a dirigé l’équipe de Sandia. Parfois, dit-il, une paire de photons intriqués à différentes longueurs d’onde émerge de l’échantillon dans la même direction que le faisceau laser entrant.

Brener a déclaré qu’il était enthousiasmé par cet appareil car il est conçu pour produire des réseaux complexes de photons intriqués – pas seulement une paire à la fois, mais plusieurs paires toutes intriquées, et certaines qui peuvent être indiscernables les unes des autres. Certaines technologies ont besoin de ces variétés complexes de soi-disant multi-intrications pour des schémas de traitement de l’information sophistiqués.

D’autres technologies miniatures basées sur la photonique au silicium peuvent également enchevêtrer les photons, mais sans le niveau indispensable de multi-enchevêtrement complexe. Jusqu’à présent, la seule façon de produire de tels résultats consistait à utiliser plusieurs tables remplies de lasers, de cristaux spécialisés et d’autres équipements optiques.

“C’est assez compliqué et un peu insoluble lorsque ce multi-enchevêtrement nécessite plus de deux ou trois paires”, a déclaré Brener. “Ces métasurfaces non linéaires réalisent essentiellement cette tâche dans un seul échantillon alors qu’auparavant, cela aurait nécessité des configurations optiques incroyablement complexes.”

L’article scientifique décrit comment l’équipe a réussi à régler sa métasurface pour produire des photons intriqués avec des longueurs d’onde variables, un précurseur essentiel pour générer simultanément plusieurs paires de photons intriqués de manière complexe.

Cependant, les chercheurs notent dans leur article que l’efficacité de leur appareil – la vitesse à laquelle ils peuvent générer des groupes de photons intriqués – est inférieure à celle d’autres techniques et doit être améliorée.

Qu’est-ce qu’une métasurface ?

Une métasurface est un matériau synthétique qui interagit avec la lumière et d’autres ondes électromagnétiques d’une manière que les matériaux conventionnels ne peuvent pas. Les industries commerciales, a déclaré Brener, sont occupées à développer des métasurfaces car elles occupent moins d’espace et peuvent faire plus avec la lumière que, par exemple, une lentille traditionnelle.

“Vous pouvez désormais remplacer les lentilles et les éléments optiques épais par des métasurfaces”, a déclaré Brener. “Ces types de métasurfaces vont révolutionner les produits de consommation.”

Sandia est l’une des principales institutions au monde à effectuer des recherches sur les métasurfaces et les métamatériaux. Entre son complexe Microsystems Engineering, Science and Applications, qui fabrique des semi-conducteurs composés, et le Centre de nanotechnologies intégrées à proximité, les chercheurs ont accès à tous les outils spécialisés dont ils ont besoin pour concevoir, fabriquer et analyser ces nouveaux matériaux ambitieux.

“Le travail était difficile car il nécessitait une technologie de nanofabrication précise pour obtenir les résonances optiques nettes à bande étroite qui amorcent le processus quantique du travail”, a déclaré Sylvain Gennaro, ancien chercheur postdoctoral à Sandia qui a travaillé sur plusieurs aspects du projet.

L’appareil a été conçu, fabriqué et testé grâce à un partenariat entre Sandia et un groupe de recherche dirigé par la physicienne Maria Chekhova, experte en intrication quantique des photons à l’Institut Max Planck pour la science de la lumière.

“Les métasurfaces conduisent à un changement de paradigme dans l’optique quantique, combinant des sources ultrapetites de lumière quantique avec des possibilités étendues pour l’ingénierie de l’état quantique”, a déclaré Tomás Santiago-Cruz, membre de l’équipe Max Plank et premier auteur de l’article.

Brener, qui a étudié les métamatériaux pendant plus d’une décennie, a déclaré que cette nouvelle recherche pourrait éventuellement déclencher une deuxième révolution – une qui voit ces matériaux développés non seulement comme un nouveau type de lentille, mais comme une technologie pour le traitement de l’information quantique et d’autres nouvelles applications.

“Il y a eu une vague de métasurfaces qui est déjà bien établie et en route. Peut-être qu’il y a une deuxième vague d’applications innovantes à venir”, a-t-il déclaré.

Sandia National Laboratories est un laboratoire multimission exploité par National Technology and Engineering Solutions de Sandia LLC, une filiale en propriété exclusive de Honeywell International Inc., pour la National Nuclear Security Administration du département américain de l’Énergie. Sandia Labs a d’importantes responsabilités de recherche et développement dans les domaines de la dissuasion nucléaire, de la sécurité mondiale, de la défense, des technologies énergétiques et de la compétitivité économique, avec des installations principales à Albuquerque, au Nouveau-Mexique, et à Livermore, en Californie.