Les états liés photoniques pourraient faire progresser l’imagerie médicale et l’informatique quantique

Cette réalisation sans précédent représente une étape importante dans le développement des technologies quantiques. Il est publié aujourd’hui dans Physique naturelle.

L’émission de lumière stimulée, postulée par Einstein en 1916, est largement observée pour un grand nombre de photons et a jeté les bases de l’invention du laser. Grâce à cette recherche, l’émission stimulée a maintenant été observée pour les photons uniques.

Plus précisément, les scientifiques ont pu mesurer le délai direct entre un photon et une paire de photons liés se diffusant sur un seul point quantique, un type d’atome créé artificiellement.

“Cela ouvre la porte à la manipulation de ce que nous pouvons appeler la” lumière quantique “”, a déclaré le Dr Sahand Mahmoodian de l’Université de Sydney School of Physics et co-auteur principal de la recherche.

Le Dr Mahmoodian a déclaré: “Cette science fondamentale ouvre la voie aux progrès des techniques de mesure améliorées quantiques et de l’informatique quantique photonique.”

En observant comment la lumière interagissait avec la matière il y a plus d’un siècle, les scientifiques ont découvert que la lumière n’était pas un faisceau de particules, ni un modèle d’onde d’énergie – mais présentait les deux caractéristiques, connues sous le nom de dualité onde-particule.

La façon dont la lumière interagit avec la matière continue de fasciner les scientifiques et l’imagination humaine, à la fois pour sa beauté théorique et sa puissante application pratique.

Qu’il s’agisse de la façon dont la lumière traverse les vastes espaces du milieu interstellaire ou du développement du laser, la recherche sur la lumière est une science vitale aux applications pratiques importantes. Sans ces fondements théoriques, pratiquement toutes les technologies modernes seraient impossibles. Pas de téléphones portables, pas de réseau de communication mondial, pas d’ordinateurs, pas de GPS, pas d’imagerie médicale moderne.

L’un des avantages de l’utilisation de la lumière dans les communications – via des fibres optiques – est que les paquets d’énergie lumineuse, les photons, n’interagissent pas facilement les uns avec les autres. Cela crée un transfert d’informations presque sans distorsion à la vitesse de la lumière.

Cependant, nous voulons parfois que la lumière interagisse. Et là, les choses se compliquent.

Par exemple, la lumière est utilisée pour mesurer de petits changements de distance à l’aide d’instruments appelés interféromètres. Ces outils de mesure sont désormais monnaie courante, que ce soit dans l’imagerie médicale avancée, pour des tâches importantes mais peut-être plus prosaïques comme le contrôle qualité du lait, ou sous la forme d’instruments sophistiqués comme LIGO, qui a mesuré pour la première fois les ondes gravitationnelles en 2015.

Les lois de la mécanique quantique fixent des limites quant à la sensibilité de tels dispositifs.

Cette limite est fixée entre la sensibilité d’une mesure et le nombre moyen de photons dans l’appareil de mesure. Pour la lumière laser classique, cela est différent de la lumière quantique.

L’auteur principal conjoint, le Dr Natasha Tomm de l’Université de Bâle, a déclaré : « L’appareil que nous avons construit a induit des interactions si fortes entre les photons que nous avons pu observer la différence entre un photon interagissant avec lui et deux.

“Nous avons observé qu’un photon était retardé plus longtemps que deux photons. Avec cette interaction photon-photon vraiment forte, les deux photons s’enchevêtrent sous la forme de ce qu’on appelle un état lié à deux photons.”

La lumière quantique comme celle-ci a l’avantage de pouvoir, en principe, effectuer des mesures plus sensibles avec une meilleure résolution en utilisant moins de photons. Cela peut être important pour les applications en microscopie biologique lorsque de grandes intensités lumineuses peuvent endommager les échantillons et où les caractéristiques à observer sont particulièrement petites.

“En démontrant que nous pouvons identifier et manipuler les états liés aux photons, nous avons fait un premier pas essentiel vers l’exploitation de la lumière quantique pour une utilisation pratique”, a déclaré le Dr Mahmoodian.

“Les prochaines étapes de mes recherches consistent à voir comment cette approche peut être utilisée pour générer des états de lumière utiles pour l’informatique quantique tolérante aux pannes, qui est poursuivie par des sociétés multimillionnaires, telles que PsiQuantum et Xanadu.”

Le Dr Tomm a déclaré : “Cette expérience est magnifique, non seulement parce qu’elle valide un effet fondamental – l’émission stimulée – à sa limite ultime, mais elle représente également un énorme pas technologique vers des applications avancées.

“Nous pouvons appliquer les mêmes principes pour développer des dispositifs plus efficaces qui nous donnent des états liés aux photons. C’est très prometteur pour des applications dans un large éventail de domaines : de la biologie à la fabrication avancée et au traitement de l’information quantique.”

La recherche était une collaboration entre l’Université de Bâle, l’Université Leibniz de Hanovre, l’Université de Sydney et l’Université de la Ruhr à Bochum.

Les auteurs principaux sont le Dr Natasha Tomm de l’Université de Bâle et le Dr Sahand Mahmoodian de l’Université de Sydney, où il est Future Fellow et Senior Lecturer du Australian Research Council.

Les atomes artificiels (points quantiques) ont été fabriqués à Bochum et utilisés dans une expérience réalisée dans le groupe Nano-Photonics de l’Université de Bâle. Les travaux théoriques sur la découverte ont été menés par le Dr Mahmoodian de l’Université de Sydney et de l’Université Leibniz de Hanovre.