Réaliser une fibre quantique —

À la fin des années 50, le physicien Philip W. Anderson (qui a également apporté d’importantes contributions à la physique des particules et à la supraconductivité) a prédit ce que l’on appelle maintenant la localisation d’Anderson. Pour cette découverte, il a reçu le prix Nobel de physique en 1977. Anderson a montré théoriquement dans quelles conditions un électron dans un système désordonné peut soit se déplacer librement à travers le système dans son ensemble, soit être lié à une position spécifique en tant qu ‘«électron localisé». Ce système désordonné peut être par exemple un semiconducteur avec des impuretés.

Plus tard, la même approche théorique a été appliquée à une variété de systèmes désordonnés, et il en a été déduit que la lumière pouvait également subir la localisation d’Anderson. Des expériences dans le passé ont démontré la localisation d’Anderson dans les fibres optiques, réalisant le confinement ou la localisation de la lumière – lumière classique ou conventionnelle – en deux dimensions tout en la propageant à travers la troisième dimension. Alors que ces expériences avaient montré des résultats positifs avec la lumière classique, jusqu’à présent, personne n’avait testé de tels systèmes avec de la lumière quantique – une lumière constituée d’états corrélés quantiques. C’est-à-dire jusqu’à récemment.

Dans une étude publiée dans Communications Physics, les chercheurs de l’ICFO Alexander Demuth, Robing Camphausen, Alvaro Cuevas, dirigés par le professeur ICREA de l’ICFO Valerio Pruneri, en collaboration avec Nick Borrelli, Thomas Seward, Lisa Lamberson et Karl W. Koch de Corning, avec Alessandro Ruggeri de Micro Photon Devices (MPD) et Federica Villa et Francesca Madonini de Politecnico di Milano, ont pu démontrer avec succès le transport d’états quantiques de lumière à deux photons à travers une fibre optique de localisation Anderson (PSF) à phases séparées.

Une fibre optique conventionnelle vs une fibre de localisation Anderson

Contrairement aux fibres optiques monomodes conventionnelles, où les données sont transmises à travers un seul noyau, une fibre à séparation de phase (PSF) ou une fibre de localisation Anderson à séparation de phase est constituée de nombreux brins de verre intégrés dans une matrice de verre de deux indices de réfraction différents. Lors de sa fabrication, lorsque le verre borosilicaté est chauffé et fondu, il est étiré en une fibre, où l’une des deux phases d’indices de réfraction différents tend à former des brins de verre allongés. Puisqu’il existe deux indices de réfraction dans le matériau, cela génère ce que l’on appelle un désordre latéral, qui conduit à une localisation transversale (2D) d’Anderson de la lumière dans le matériau.

Experts en fabrication de fibres optiques, Corning a créé une fibre optique capable de propager plusieurs faisceaux optiques dans une seule fibre optique en exploitant la localisation d’Anderson. Contrairement aux faisceaux de fibres multicœurs, cette PSF s’est avérée très appropriée pour de telles expériences car de nombreux faisceaux optiques parallèles peuvent se propager à travers la fibre avec un espacement minimal entre eux.

L’équipe de scientifiques, experts en communications quantiques, souhaitait transporter l’information quantique le plus efficacement possible à travers la fibre optique à séparation de phase de Corning. En expérience, la PSF relie un émetteur et un récepteur. L’émetteur est une source de lumière quantique (construite par ICFO). La source génère des paires de photons corrélés quantiques via une conversion descendante paramétrique spontanée (SPDC) dans un cristal non linéaire, où un photon de haute énergie est converti en paires de photons, qui ont chacune une énergie inférieure. Les paires de photons de basse énergie ont une longueur d’onde de 810 nm. En raison de la conservation de la quantité de mouvement, une anti-corrélation spatiale apparaît. Le récepteur est une caméra à réseau de diodes à avalanche à photon unique (SPAD), développée par Polimi et MPD. La caméra matricielle SPAD, contrairement aux caméras CMOS courantes, est si sensible qu’elle peut détecter des photons uniques avec un bruit extrêmement faible ; il a également une résolution temporelle très élevée, de sorte que l’heure d’arrivée des photons uniques est connue avec une grande précision.

Lumière quantique

L’équipe ICFO a conçu la configuration optique pour envoyer la lumière quantique à travers la fibre de localisation Anderson à séparation de phase et a détecté son arrivée avec la caméra à matrice SPAD. Le réseau SPAD leur a permis non seulement de détecter les paires de photons mais aussi de les identifier comme des paires, car elles arrivent en même temps (coïncidence). Comme les paires sont corrélées quantiquement, savoir où l’un des deux photons est détecté nous indique l’emplacement de l’autre photon. L’équipe a vérifié cette corrélation juste avant et après l’envoi de la lumière quantique à travers la PSF, montrant avec succès que l’anti-corrélation spatiale des photons était effectivement maintenue.

Après cette démonstration, l’équipe de l’ICFO s’est ensuite mise à montrer comment améliorer ses résultats lors de travaux futurs. Pour cela, ils ont effectué une analyse de mise à l’échelle, afin de déterminer la distribution de taille optimale des brins de verre allongés pour la longueur d’onde de la lumière quantique de 810 nm. Après une analyse approfondie à la lumière classique, ils ont pu identifier les limites actuelles de la fibre à séparation de phase et proposer des améliorations de sa fabrication, afin de minimiser l’atténuation et la perte de résolution pendant le transport.

Les résultats de cette étude ont montré que cette approche était potentiellement intéressante pour les processus de fabrication évolutifs dans les applications réelles de l’imagerie quantique ou des communications quantiques, en particulier pour les domaines de l’endoscopie haute résolution, de la distribution d’intrication et de la distribution de clé quantique.