Les singles deviennent des paires : nouvelles connaissances sur la diffusion de la lumière par les atomes
Des chercheurs de l'université Humboldt de Berlin, partenaires du projet DAALI, ont mis en évidence un effet surprenant présent dans la lumière fluorescente d'un seul atome
Des chercheurs dirigés par Jürgen Volz et Arno Rauschenbeutel du département de physique de l'université Humboldt de Berlin, partenaires du projet DAALI, ont acquis de nouvelles connaissances sur la diffusion de la lumière par un atome fluorescent, qui pourraient également être utiles pour la communication quantique. L'équipe de recherche vient de publier ses résultats dans la revue scientifique Nature Photonics.
Un atome unique est excité par la lumière laser et diffuse un photon après l'autre. Un filtre optique élimine certaines composantes de couleur de ce flux de photons uniques. Les photons restants deviennent alors des paires qui quittent le filtre simultanément. (Image : Département de physique, Humboldt-Universität zu Berlin).
Department of Physics, Humboldt-Universität zu Berlin
En 1900, Max Planck a formulé l'hypothèse selon laquelle la lumière ne peut pas échanger des quantités arbitraires d'énergie avec la matière, telle qu'un atome, mais seulement certains "paquets d'énergie" discrets appelés quanta. Cinq ans plus tard, Albert Einstein a proposé que ces quanta ne soient pas une simple quantité de calcul, mais que la lumière elle-même soit constituée de quanta, que nous appelons aujourd'hui photons. En fait, il existe aujourd'hui des photodiodes suffisamment sensibles pour enregistrer un seul photon. En cas d'éclairage continu, ces photodiodes ne produisent pas un signal électrique constant, mais plutôt une série de courtes impulsions de courant. Chaque impulsion de courant indique alors la détection d'un seul photon.
Sous la loupe : la diffusion de la lumière laser
Si la lumière d'un seul atome, excitée par un faisceau laser pour devenir fluorescente, frappe une photodiode aussi sensible, deux photons ne seront jamais détectés simultanément. À cet égard, la lumière fluorescente d'un seul atome diffère de la lumière laser avec laquelle il est excité, car les photons se produisent effectivement simultanément dans la lumière laser. Mais si deux photons laser frappent un seul atome en même temps, l'atome n'absorbera qu'un seul photon et laissera passer le second. Par la suite, l'atome rayonnera le photon laser absorbé dans une direction aléatoire, et ce n'est qu'alors qu'il sera prêt à absorber un autre photon laser.
En d'autres termes, un seul atome ne peut diffuser qu'un seul photon à la fois, et les photons de la lumière fluorescente d'un seul atome frappent le détecteur comme s'ils étaient alignés, telles des perles sur un fil. Cette propriété est exploitée dans le cadre du projet DAALI et d'autres recherches sur les technologies quantiques. Par exemple, dans la communication quantique, les photons uniques émis par des atomes naturels ou artificiels sont utilisés pour une communication à l'épreuve des interférences.
À travers le filtre : les photons uniques deviennent des paires
Cependant, l'équipe de recherche de l'université Humboldt a pu démontrer un effet très surprenant en utilisant la lumière fluorescente d'un seul atome. Lorsque les chercheurs ont éliminé une certaine composante de couleur de la lumière à l'aide d'un filtre, le flux de photons uniques s'est transformé en paires de photons qui ont été détectés simultanément.
Ainsi, en retirant les bons éléments d'un flux de photons uniques, les photons restants apparaissent soudainement sous forme de paires. Cet effet ne peut être concilié avec la perception de notre monde quotidien ; si vous interdisez toutes les voitures vertes dans une rue, les voitures restantes ne roulent pas soudainement par paires l'une à côté de l'autre. En outre, l'ancienne certitude qu'un atome ne peut diffuser qu'un seul photon à la fois semble également avoir été réfutée : lorsqu'il est observé à travers le filtre de couleur approprié, l'atome est tout à fait capable de diffuser deux photons en même temps. Cet effet a été prédit il y a une quarantaine d'années par Jean Dalibard et Serge Reynaud de l'ENS Paris dans leurs travaux théoriques sur la diffusion de la lumière par les atomes. Cependant, il vient seulement d'être démontré expérimentalement par l'équipe dirigée par les physiciens quantiques Jürgen Volz et Arno Rauschenbeutel.
"Il s'agit d'un merveilleux exemple qui montre à quel point notre intuition nous fait défaut lorsque nous essayons de nous faire une idée de la manière dont les processus se déroulent au niveau microscopique", déclare Jürgen Volz. "Cependant, il s'agit de bien plus qu'une simple curiosité", ajoute Arno Rauschenbeutel. "En effet, les paires de photons générées sont enchevêtrées au niveau de la mécanique quantique. Il y a donc l'action à distance entre les deux photons, à laquelle Einstein ne voulait pas croire et grâce à laquelle on peut téléporter des états quantiques, par exemple". "Volz et Rauschenbeutel s'accordent à dire que le fait qu'un seul atome soit la source idéale pour de telles paires de photons intriqués est une chose que personne n'aurait cru jusqu'à récemment.
En fait, l'effet démontré se prête à la réalisation de sources de paires de photons intriqués dont la luminosité atteint le maximum théoriquement possible et surpasse donc les sources existantes. En outre, les paires de photons correspondent intrinsèquement aux atomes à partir desquels elles ont été émises. Cela permet d'interfacer directement les photons avec des répéteurs quantiques ou des portes quantiques qui utilisent les mêmes atomes et sont nécessaires pour la communication quantique à longue distance.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Luke Masters, Xin-Xin Hu, Martin Cordier, Gabriele Maron, Lucas Pache, Arno Rauschenbeutel, Max Schemmer, Jürgen Volz; "On the simultaneous scattering of two photons by a single two-level atom"; Nature Photonics (2023)
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