Un seul atome est excité par la lumière laser et diffuse un photon après l’autre. Un filtre optique supprime certaines composantes de couleur de ce flux de photons uniques. Cela fait que les photons restants forment des paires qui quittent le filtre simultanément. Crédit : Département de physique, Humboldt-Universität zu Berlin
Des chercheurs de l’Université Humboldt de Berlin, partenaires du projet DAALI, ont démontré un effet surprenant présent dans la lumière fluorescente d’un seul atome.
Les scientifiques dirigés par Jürgen Volz et Arno Rauschenbeutel du Département de physique de l’Université Humboldt de Berlin, partenaires du projet Disruptive Approaches to Atom-Light Interfaces (DAALI), ont acquis de nouvelles connaissances sur la diffusion de la lumière par un atome fluorescent, qui pourrait également être utile pour la communication quantique. L’équipe de recherche a maintenant publié ses résultats dans la revue scientifique Photonique naturelle.
En 1900, Max Planck a formulé l’hypothèse selon laquelle la lumière ne peut pas échanger des quantités arbitraires d’énergie avec la matière, comme un atome, mais seulement certains « paquets d’énergie » discrets appelés quanta. Cinq ans plus tard, Albert Einstein a alors proposé que ces quanta n’étaient pas une simple quantité informatique, mais que la lumière elle-même était constituée de quanta, que nous appelons aujourd’hui photons. En fait, il existe aujourd’hui des photodiodes suffisamment sensibles pour enregistrer une seule photon. Avec un éclairage continu, ceux-ci 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.
À la loupe : diffusion de la lumière laser
Si la lumière d’un seul atome, excité pour émettre une fluorescence par un faisceau laser, frappe une photodiode aussi hautement 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 apparaissent 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 présents dans la lumière fluorescente d’un seul atome frappent le détecteur comme s’ils étaient alignés comme 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, des photons uniques émis par des atomes naturels ou artificiels sont utilisés pour une communication sécurisée.
Découvertes surprenantes avec des paires de photons
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 scientifiques ont éliminé une certaine composante de couleur de la lumière à l’aide d’un filtre, le flux de photons unique s’est transformé en paires de photons détectés simultanément.
Par conséquent, en supprimant les bons photons d’un flux de photons uniques, les photons restants apparaissent soudainement par paires. Cet effet ne peut être concilié avec la perception de notre monde quotidien ; Si vous interdisez toutes les voitures vertes d’une rue, les voitures restantes ne rouleront pas soudainement par paires les unes à côté des autres.
De plus, l’ancienne certitude selon laquelle un seul atome ne peut diffuser qu’un photon à la fois semble également avoir été réfutée : vu à travers le bon filtre de couleur, l’atome est très bien capable de diffuser deux photons en même temps.
Cet effet avait 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, cela n’a été démontré expérimentalement que maintenant par l’équipe dirigée par les physiciens quantiques Jürgen Volz et Arno Rauschenbeutel.
«C’est un merveilleux exemple de la mesure dans laquelle notre intuition nous fait défaut lorsque nous essayons de nous faire une idée de la manière dont les processus se produisent au niveau microscopique», explique Jürgen Volz.
« Mais c’est bien plus qu’une simple curiosité », ajoute Arno Rauschenbeutel. « En effet, les paires de photons générées sont intriquées mécaniquement quantiquement. Il y a donc cette action effrayante 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.»
« Qu’un seul atome soit parfaitement adapté comme source de telles paires de photons intriqués », conviennent Volz et Rauschenbeutel, « c’est quelque chose que presque 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 dépasse ainsi les sources existantes. De plus, les paires de photons correspondent intrinsèquement aux atomes à partir desquels ils ont été émis. Cela permet d’interfacer directement les photons avec des répéteurs quantiques ou des portes quantiques qui utilisent les mêmes atomes et sont nécessaires à la communication quantique longue distance.
