L’avenir des technologies quantiques dépend de l’exploitation de concepts fascinants de la mécanique quantique, tels que les états quantiques de dimension supérieure. Ces états sont des composants fondamentaux de la science de l’information quantique et de la technologie quantique. Pour manipuler ces états, les scientifiques se sont tournés vers la lumière, en particulier une propriété appelée moment angulaire orbital (OAM), qui implique la façon dont la lumière se tord et tourne dans l'espace. Voici le problème : créer des photons uniques ultra-lumineux avec OAM de manière déterministe a été un problème insurmontable. La génération d’états intriqués quasi déterministes basés sur le moment cinétique orbital constitue un pont entre les technologies photoniques pour les progrès quantiques.
Points quantiques : technologie de pont
Les points quantiques (QD) sont de minuscules particules au potentiel énorme. Une équipe de recherche de l’Université de Rome Sapienza, de l’Université Paris Saclay et de l’Université Federico II de Naples a combiné les propriétés des OAM avec celles des points quantiques pour construire un pont entre les deux technologies de pointe. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans la revue à comité de lecture Advanced Photonics.
Schéma conceptuel du protocole proposé. En manipulant la polarisation et l'OAM des photons uniques générés par les sources de lumière QD de manière quasi déterministe, les deux degrés de liberté interagissent à travers la plaque q pour produire des états intriqués intra-particules. Dans le mécanisme interparticulaire, deux photons, caractérisés par des états spécifiques dans un espace mixte constitué de polarisation et d'OAM, interfèrent via un séparateur de faisceau. En sélectionnant le nombre de coïncidences, une porte d'intrication probabiliste est implémentée. Source : Alessia Suprano
Où est l’innovation ? Le pont qu’ils ont construit peut être utilisé de manière flexible à deux fins. Premièrement, il peut créer des photons uniques purs intriqués dans l’espace de polarisation OAM, que les chercheurs peuvent compter directement. Deuxièmement, ce pont peut également créer des paires de photons fortement corrélées dans le monde quantique. Ils sont intriqués, de sorte que l’état de chaque photon ne peut pas être décrit indépendamment de l’état de l’autre photon, même s’ils sont éloignés l’un de l’autre. Cela a d’énormes implications pour les communications quantiques et le chiffrement.
Cette nouvelle plateforme a le potentiel de créer des états hybrides intriqués à la fois au sein et entre les particules, tous appartenant à un espace de Hilbert de grande dimension. D’une part, l’équipe de recherche a réussi à générer des photons uniques purs dont les états quantiques présentent une inséparabilité dans le domaine de polarisation hybride OAM. En utilisant une source quantique presque déterministe en combinaison avec une plaque q, un dispositif capable d'ajuster les valeurs OAM basées sur la polarisation d'un photon unique, les chercheurs peuvent vérifier directement ces états grâce au comptage d'un photon unique, évitant ainsi le besoin d'un processus de préfiguration et augmentant le taux de génération.
D’autre part, l’équipe de recherche a également utilisé le concept d’inséparabilité au sein de photons uniques comme ressource pour générer des paires de photons uniques intriquées dans l’espace de polarisation OAM hybride.
Le professeur Fabio Sciarrino, directeur du laboratoire d'information quantique du département de physique de l'université de Rome Sapienza, a commenté : « La solution flexible proposée représente un pas en avant pour les expériences multiphotoniques de haute dimension et peut fournir une plate-forme importante pour la recherche fondamentale et les applications de photons quantiques. »
Impact sur la technologie quantique
Essentiellement, cette recherche marque une étape importante dans la poursuite des technologies quantiques avancées. C'est comme relier deux grandes villes. Cette connexion ouvre des possibilités passionnantes pour l’informatique quantique, les communications et bien plus encore. Ce n’est donc pas seulement une question de science, c’est l’avenir.