Des physiciens du C2N ont démontré pour la première fois la génération directe de lumière dans un état qui est simultanément un seul photon, deux photons et aucun photon. Ils ont montré que les émetteurs de lumière utilisés depuis des décennies sont également capables de générer ces états quantiques, et ils s’attendent à ce que cela soit vrai pour tout type de système atomique.
La superposition quantique est une propriété de la physique quantique qui permet aux objets d’exister simultanément dans différents états. Un exemple théorique fameux en est le chat de Schrödinger qui peut être à la fois mort et vivant. Imaginons un objet qui tente de trouver la sortie d’un labyrinthe. Dans un monde classique, il essaiera tous les chemins, un par un, jusqu’à trouver finalement la sortie. Dans un monde quantique en revanche, la superposition permet à l’objet d’essayer simultanément tous les chemins différents, ce qui permet de trouver la sortie beaucoup plus rapidement. Pour la lumière, la superposition a été obtenue dans plusieurs de ses propriétés. Par exemple, dans sa polarisation, où le champ électromagnétique d’un photon unique oscille à la fois verticalement et horizontalement; ou en trajet, lorsqu’un photon prend toutes les trajectoires possibles à l’intérieur d’interféromètres (versions photoniques d’un labyrinthe). La superposition a même été obtenue dans le temps, avec des photons existant simultanément à des moments antérieurs et postérieurs.
Cependant, la création de lumière dans un état qui correspond à la fois à un seul photon, deux photons, ou aucun photon, c’est-à-dire une superposition quantique à “nombre de photons”, est restée inatteignable. Quelques expériences complexes ont déjà permis d’obtenir ces états de superposition, mais cela n’avait jamais été réalisé à la demande, c’est-à-dire avec succès à chaque expérience. De plus, on ignorait que des émetteurs directs de ces états superposés existaient. Dans un travail publié dans le journal Nature Photonics en août 2019, les chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS / Université Paris-Saclay) et de l’Institut Néel (CNRS, Grenoble), ont démontré pour la première fois la génération directe de lumière dans une superposition quantique de nombres de photons.
Les chercheurs ont étudié l'émission d'un atome artificiel, une boîte quantique semiconductrice insérée dans une microcavité optique, une technologie qui a récemment fourni les sources de photons uniques les plus efficaces. En effectuant une excitation cohérente de la boîte quantique avec des impulsions optiques, ils ont montré que la cohérence quantique dans l’état atomique est préservée par le processus d’émission spontanée. Cette cohérence quantique est imprimée sur l’état photonique émis, générant une superposition quantique à zéro, un et deux photons.
Ces résultats, jamais observés auparavant dans un système atomique, démontrent que les atomes artificiels tels que les boîtes quantiques sont maintenant contrôlés à un point tel qu'ils se comportent presque idéalement comme attendu dans les manuels. Ces nouveaux états quantiques de la lumière basés sur la superposition cohérente d'états à nombres de photons ouvrent des pistes excitantes pour la conception et la mise en œuvre de nouveaux schémas de communication et de calcul quantiques.
Référence :
Generation of non-classical light in a photon-number superposition,
J. C. Loredo1, C. Anton1, B. Reznychenko2, P. Hilaire1, A. Harouri1, C. Millet1, H. Ollivier1, N. Somaschi3, L. De Santis1, A. Lemaître1, I. Sagnes1, L. Lanco1,4, A. Auffeves2, O. Krebs1 & P. Senellart1
Nature Photonics (2019)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-019-0506-3
1 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS / Université Paris-Sud/Paris-Saclay)
2 Institut Néel (CNRS, Université Grenoble Alpes, Grenoble INP)
3 Quandela SAS
4 Université Paris Diderot (Université de Paris)
Contact:
- Juan-Carlos Loredo, Post-Doc au C2N
- Carlos Anton-Solanas, Post-Doc au C2N
- Pascale Senellart, Directrice de recherche CNRS au C2N
Figure : Représentation schématique de l'expérience. Une boîte quantique couplée à une microcavité optique (image insérée : image réelle du dispositif) émet de la lumière dans un état qui est simultanément un photon, deux photons et aucun photon, c’est-à-dire une superposition quantique à nombres de photons. Copyright C2N / J.C. Loredo, C. Anton & al.
