Des photons en suspend

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Israël | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique
28 août 2018

Une équipe de chercheurs de l’Institut Weizmann a récemment publié dans la revue Science Advance une nouvelle méthode pour arrêter des particules de lumière en plein vol. Il est très probable que ces particules, appelées photons, soient les briques de base d’un futur ordinateur quantique ou bien celles d’un réseau de communication quantique. Pour que de telles technologies soient réalisables, il est capital de savoir stopper de telles particules et de pouvoir les relâcher ensuite à la demande et ce, sans les abîmer.

Un groupe de recherche dirigé par le Dr. Ofer Firstenberg à l’Institut Weizmann est parvenu à stopper un photon en plein vol dans un gaz d’atomes à température ambiante avant de l’extraire intact du gaz et à la demande. Si arrêter un photon n’est pas difficile (un simple mur passe son temps à en arrêter), il est beaucoup plus complexe de le récupérer sans altérer ses propriétés. Ce savoir-faire devra pourtant être au cœur de toute technologie quantique utilisant des photons. En effet, de telles technologies utiliseront de nombreux photons simultanément et il sera nécessaire de pouvoir les synchroniser. Un problème majeur réside dans le fait que les sources de photons actuellement disponibles produisent ces particules de manière aléatoire et qu’il n’est pas possible de synchroniser ne serait-ce qu’une dizaine de ces sources pour qu’elles émettent toutes un photon en même temps. Fabriquer une mémoire dite quantique capable de conserver les propriétés d’un photon et de le réémettre à la demande est donc crucial. Cela permettrait de stocker les photons qui émanent de ces sources de manière aléatoire pour ensuite les relâcher simultanément, de façon contrôlée.

Le principe est le suivant. Lorsqu’un photon passe à travers un gaz atomique, le premier est absorbé par un atome dont un des électrons passe par conséquent dans un état dit « excité ». En d’autres termes, le photon modifie légèrement la trajectoire d’un électron qui orbite autour du noyau atomique (voir illustration ci-dessous). Ce changement de trajectoire encode toutes les propriétés du photon absorbé et persiste jusqu’à ce que les expérimentalistes éclairent, au moment voulu, le gaz avec un puissant laser. Cela a pour conséquence de rétablir la trajectoire de l’électron et d’engendrer l’émission d’un photon en tous points identique à l’original. Leurs résultats montrent que, seulement une fois sur mille, le photon émis diffère de celui attendu.

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Image 1. Vue d’artiste du fonctionnement d’une mémoire quantique (crédits : Genia Brodsky, Research Services Division, Weizmann Institute of Science)

Si de telles mémoires quantiques existent déjà, la prouesse réalisée par ce groupe de recherche a été de faire fonctionner leur expérience à température ambiante, de manière rapide et efficace et ce, sans introduire de distorsion dans les propriétés des photons. Si aujourd’hui l’expérience tient difficilement sur une surface de 10 mètres carrés, il sera bientôt possible, selon les auteurs, de la faire tenir dans le volume d’un smartphone.

Sources :
https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/photons-stopped-time
http://advances.sciencemag.org/content/4/1/eaap8598

Rédacteur : Arnaud Courvoisier, doctorant à l’Institut Weizmann

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