Des chercheurs de l'Université de l'Arizona, travaillant avec une équipe internationale, ont capturé et contrôlé l'incertitude quantique en temps réel en utilisant des impulsions de lumière ultra-rapides. Leur découverte, publiée dans la revue Lumière: Science et applicationspourrait conduire à une communication plus sûre et au développement d'optiques quantiques ultra-rapides.
Au cœur de la percée se trouve « la lumière pressée », a déclaré Mohammed Hassan, auteur correspondant du journal et professeur agrégé de physique et de sciences optiques.
Dans la physique quantique, la lumière est identifiée par deux propriétés liées qui correspondent à peu près à la position et à l'intensité d'une particule – mais ne peuvent jamais être connues avec une précision parfaite, un concept connu sous le nom d'incertitude. Le produit de ces deux mesures ne peut pas tomber en dessous d'un certain seuil, tout comme la quantité fixe d'air dans un ballon, chaque mesure représentant un côté du ballon.
« La lumière ordinaire est comme un ballon rond, avec une incertitude répandue uniformément entre ses mesures », a déclaré Hassan. « La lumière pressée – également connue sous le nom de lumière quantique – est étendue dans un ovale, où une propriété devient plus silencieuse et plus précise, tandis que l'autre devient plus bruyante. »
Cette compression a des applications du monde réel: les détecteurs à ondes gravitationnelles utilisent déjà la lumière pressée pour couper le bruit de fond et détecter les ondulations faibles dans l'espace-temps causées par des corps célestes éloignés.
Les applications précédentes de lumière pressée reposaient sur des impulsions laser dues à des millisecondes. Hassan voulait explorer s'il était possible de générer de la lumière pressée avec des impulsions ultra-rapides mesurées dans les fémtosecondes, ou un quadrillionème de seconde.
« La création de lumière quantique avec des impulsions laser ultra-rapides serait une étape révolutionnaire, et la première véritable implémentation combinant l'optique quantique et la science ultra-rapide », a-t-il déclaré. « Le principal défi technique était la correspondance de phase entre les lasers de différentes couleurs, ce qui nécessite généralement des configurations complexes. J'ai réalisé que notre technologie pourrait surmonter ce problème. »
Hassan et ses collègues ont développé une nouvelle méthode pour produire des rafales de lumière extrêmement courtes en utilisant un processus existant appelé mélange à quatre ondes, dans lequel différentes sources lumineuses interagissent et se combinent. S'appuyant sur les travaux antérieurs de Hassan avec des impulsions ultra-détruites, l'équipe a divisé un laser en trois faisceaux identiques et les a concentrés en silice fondu, produisant une lumière pressée ultra-dérive.
Les approches antérieures de la lumière ultra-rapide pressée réduisent l'incertitude dans la phase d'un photon, ou sa position dans une forme d'onde par rapport à sa longueur d'onde. L'équipe de Hassan a plutôt serré l'intensité d'un photon et a démontré la capacité de fluctuer entre l'intensité et la pose de phase en ajustant la position de la silice par rapport au faisceau fendu.
Si la silice est perpendiculaire, les photons arrivent tous ensemble. Ajustez légèrement l'angle incident et un photon arrive plus tard que l'autre. Ce petit changement est ce qui contrôle la compression.
« Il s'agit de la toute première démonstration de la lumière ultra-rapide pressée et de la première mesure et du contrôle en temps réel de l'incertitude quantique », a déclaré Hassan. « En combinant des lasers ultra-rapides avec l'optique quantique, nous ouvrons la porte à un nouveau domaine: optique quantique ultra-rapide. »
L'équipe a déjà appliqué sa technique sur le domaine des communications sécurisées. Alors que les impulsions lumineuses ultra-rapides et pressées ont déjà été utilisées séparément pour transmettre des données binaires, les combinant améliorent la vitesse et la sécurité.
« Si quelqu'un intercepte les données envoyées avec une lumière quantique, le réseau détectera immédiatement l'intrusion, mais l'intrus pourrait toujours acquérir des informations avec une clé de décodage », a déclaré Hassan. « En utilisant notre méthode, une écoute perturbe non seulement l'état quantique, mais doit également connaître à la fois la clé et l'amplitude de l'impulsion exacte. Leur interférence affecte la compression de l'amplitude, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas déterminer l'incertitude correcte, et toutes les données décodées sont inactes. »
Au-delà des communications sécurisées, Hassan espère que la lumière quantique ultra-rapide fera progresser la détection quantique, la chimie et la biologie, conduisant à des diagnostics plus précis, à de nouvelles méthodes de découverte de médicaments et à des détecteurs ultrasensibles pour la surveillance environnementale.
Hassan a travaillé aux côtés de Mohamed Sennary, un étudiant diplômé étudiant l'optique et la physique et le premier auteur du journal; Mohammed Elkabbash, professeur adjoint de science optique; et des collaborateurs de l'Institut Barcelone des sciences et de la technologie, de l'Université de Ludwig Maximilian de Munich et de l'institution catalane pour la recherche et les études avancées.
