Des physiciens ont découvert une piste théorique inattendue pour optimiser la génération non-linéaire d’états photoniques triplets. La conclusion : il vaut mieux éviter de s’inspirer aveuglement du processus analogue et bien maîtrisé de génération d’états quantiques à deux photons.
La génération de triplets de photons intriqués par interaction optique non-linéaire serait la façon la plus directe de produire des statistiques quantiques non-gaussiennes, qui sont la clé de nombreux protocoles quantiques avancés. Quoi de plus naturel que de s’inspirer des connaissances acquises depuis trois décennies sur les photons jumeaux, qui ont permis les démonstrations les plus étonnantes de l’optique quantique, pour optimiser la génération de triplets de photons ? Cependant dans les meilleures conditions expérimentales, moins d’un photon triplet tous les 3 mois pourrait alors théoriquement être émis d’un cristal non-linéaire par émission spontanée. La réponse non-linéaire du troisième ordre générant les triplets est en effet plusieurs ordres de grandeur plus faible que celle du second ordre, générant les photons jumeaux. Des physiciens du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/Univ. Paris-Sud) et de l’Institut Néel (CNRS) ont démontré théoriquement la possibilité de dépasser ces limites en sortant de l’analogie avec le mécanisme de génération des photons jumeaux. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.
Les équations gouvernant le processus de création d’états quantiques triplets en régime de variables continues ne possèdent pas de solution analytique. Les physiciens ont donc procédé par une méthode dite de perturbation en considérant jusqu’aux termes du cinquième ordre et résolue les équations résultantes par des méthodes numériques. Ils ont ainsi démontré que simultanément au pompage, déclenchant l’effet non-linéaire, une injection de photons à la même fréquence que les triplets émis était nécessaire pour atteindre l’intrication quantique à trois photons en régime de variables continues. Les chercheurs ont aussi démontré que l’intrication s’accroit lorsque le taux d’injection augmente. Un mécanisme singulier car dans le cas de la génération de photons jumeaux l’intrication quantique est détruite par l’injection. Le mécanisme d’injection permet également d’augmenter de plusieurs ordres de grandeur l’efficacité de l’interaction non-linéaire du troisième ordre. Ces résultats théoriques lèvent un verrou important. Ils rendent possible une réalisation expérimentale sur laquelle le C2N et l’Institut Néel ont commencé à travailler dans le cadre d’un projet de recherche commun.
Ces travaux ouvrent la voie à des recherches sur la mise en évidence de propriétés quantiques à trois photons, ou encore au développement de protocoles quantiques avancés pour la cryptographie.
Figure : Distribution de l’intensité (gauche) et des fluctuations (droite) des états quantiques à trois photons montrant les trois lobes en fonction de la phase. © C2N / K. Bencheikh
En savoir plus
Continuous variables triple-photon states quantum entanglement
E. A. Rojas Gonzalez, A. Borne, B. Boulanger, J. A. Levenson, et K. Bencheikh
Physical Review Letters (Janvier 2018)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.043601
Contact chercheur
Kamel Bencheikh, chargé de recherche CNRS (kamel.bencheikh@c2n.upsaclay.fr)
Informations complémentaires
- Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/Université Paris-Sud)
- Department of Engineering Sciences, Uppsala University, Sweden
- Weizmann Institutes of Science, Israel
- Institut Neel, laboratoire CNRS associé à l’Université Grenoble Alpes et à Grenoble INP
