À l’aide d’un concept mathématique, les chercheurs améliorent la manière dont les particules lumineuses interagissent dans des circuits spéciaux, ce qui pourrait rendre les systèmes de technologie quantique plus fiables et ouvrir de nouvelles possibilités d’innovation. Crédit : Issues.fr.com
Une équipe de recherche étudie la façon dont la lumière se déplace à travers des circuits spéciaux appelés guides d'ondes optiques, en utilisant un concept appelé topologie. Ils ont fait une découverte importante combinant des chemins lumineux stables avec des interactions de particules lumineuses, ce qui pourrait rendre les ordinateurs quantiques plus fiables et conduire à de nouvelles avancées technologiques.
L’innovation scientifique naît souvent de la synthèse de concepts apparemment sans rapport. Par exemple, la réciprocité de l'électricité et du magnétisme a ouvert la voie à la théorie de la lumière de Maxwell, qui, jusqu'à présent, est continuellement affinée et étendue avec des idées issues de la mécanique quantique.
De même, le groupe de recherche du professeur Alexander Szameit de l'Institut de physique de l'Université de Rostock explore l'évolution de la lumière dans les circuits de guides d'ondes optiques en présence d'une topologie. Ce concept mathématique abstrait a été initialement développé pour classer les géométries solides en fonction de leurs propriétés globales. Szameit explique : « Dans les systèmes topologiques, la lumière ne suit que les caractéristiques globales du système de guides d'ondes. Les perturbations locales des guides d’ondes telles que les défauts, les lacunes et le désordre ne peuvent pas détourner son chemin.
Percée dans l’interférence photonique et les technologies quantiques
En 1987, les physiciens Hong, Ou et Mandel ont observé le comportement de photon paires dans un séparateur de faisceau dans une expérience qui, jusqu'à récemment, était indépendante de la topologie. Ils ont découvert qu'un photon, qui interfère avec lui-même en raison de son comportement en tant qu'onde électromagnétique, est également capable de former des modèles d'interférence avec d'autres particules lumineuses. Outre l’intrication en tant que caractéristique fondamentale des particules de lumière quantique, cette découverte révolutionnaire s’est avérée être un ingrédient déterminant pour les nouvelles technologies quantiques optiques, notamment les ordinateurs quantiques.
Deux photons (sous forme de bâtons) dansent sur une bande de Möbius. Leurs mouvements conjoints sur cette piste de danse tordue sont le résultat d’interférences quantiques. Classiquement, chacun des deux photons suivrait son propre chemin sur un champ plan. Crédit : Université de Rostock, Institut de Physique
Innovation quantique grâce à la protection topologique
Dans le cadre d'un effort conjoint avec des collègues de l'Université Albert-Ludwigs de Fribourg, les chercheurs ont réussi à combiner une propagation topologiquement robuste de la lumière avec l'interférence de paires de photons.
« Ce résultat est véritablement une étape importante », déclare Szameit, qui recherchait depuis longtemps un tel lien.
Max Ehrhardt, doctorant et premier auteur de l'ouvrage, poursuit : « Les technologies quantiques sont aux prises avec une complexité toujours croissante. Par conséquent, la protection topologique des éléments optiques est un outil de conception indispensable pour garantir un bon fonctionnement quelles que soient les tolérances de fabrication finies des éléments optiques.
(De gauche à droite) Matthias Heinrich, Alexander Szameit et Max Ehrhardt – les auteurs de l'article scientifique – expérimentent des circuits photoniques. Crédit : Université de Rostock
Les physiciens attribuent le comportement particulier observé à la nature quantique de la lumière : « Les paires de photons qui se voient perçoivent la structure du guide d’onde comme tordue. Cela les amène à s’unir, comme s’ils dansaient en couple sur la piste de danse tordue. Les photons qui traversent le guide d'ondes séparément ne connaissent qu'une surface plane conventionnelle. Nous avons donc une différence topologique », poursuit Ehrhardt pour expliquer le mécanisme.
Le Dr Matthias Heinrich, scientifique principal du groupe, résumant ces mesures fascinantes, a déclaré : « Nous avons été étonnés de voir jusqu'où nous pouvions déformer notre système de guides d'ondes sans aucun impact sur les interférences quantiques. »
Orientations futures des systèmes quantiques topologiques
Szameit pense déjà à d'autres perspectives que son équipe pourrait étudier : « Nos systèmes de guides d'ondes offrent un riche éventail de possibilités pour la construction de systèmes topologiques pour la lumière. La symbiose avec la lumière quantique n’est que le début. »
Cette recherche a été financée par la Fondation allemande pour la recherche, l'Union européenne et la Fondation Krupp von Bohlen et Halbach.
