Petr Steindl, physicien quantique, se spécialise dans la création de structures lumineuses complexes avec des photons uniques, explorant les possibilités de l’optique quantique et ses applications technologiques.
Petr Steindl crée des structures de lumière complexes à l’aide de photons uniques. Adolescent, il voulait étudier la poésie tchèque, mais il a finalement opté pour la physique quantique. Il a récemment obtenu son doctorat après avoir soutenu sa thèse sur l’optique quantique et les systèmes de points quantiques. « Avec le recul, je suis heureux d’avoir changé de domaine. »
«En termes simples, un point quantique est un petit îlot de matériau semi-conducteur», précise Steindl sur le sujet de sa thèse. « Comme sa taille n’est que de quelques nanomètres, il ressent des effets quantiques, tout comme un atome.» Le chercheur place ce point quantique dans une microcavité optique pour le manipuler plus efficacement. « Vous pouvez imaginer cette cavité comme deux miroirs se faisant face. La lumière laser rebondit entre eux. Le point quantique n’aime pas interagir avec la lumière, mais la cavité optique le rend plus probable car le laser passe le point plusieurs fois.
Pierre Steindl. Crédit : Université de Leiden
« Je trouve totalement étonnant qu’il soit possible de construire de telles structures légères. » — Pierre Steindl
Utiliser des photons uniques comme des briques dans une maison
Ce dispositif ingénieux peut être utilisé pour créer des photons uniques, explique Steindl. « Le laser résonant excite un électron dans le point quantique de son état d’énergie fondamentale vers un état supérieur. Lorsqu’il retombe à l’état fondamental, le point quantique émet un seul photon. La microcavité dirige commodément ce photon vers le reste de notre configuration. Le défi consiste toutefois à séparer ce photon de la lumière laser. Il a la même longueur d’onde que le laser mais une polarisation légèrement différente. Vous pouvez exploiter cette propriété pour isoler le photon. Durant mon doctorat, j’ai exploré et amélioré cette technique.
L’obtention de photons uniques n’était que la première étape des recherches de Steindl. « Lorsque vous disposez de photons uniques de haute qualité (des particules de lumière), c’est un peu comme une brique », illustre-t-il son travail. « Avec des briques, on peut commencer à construire une maison. Mon objectif était de combiner des photons individuels pour construire des structures de lumière complexes. Par exemple, nous avons créé une chaîne de plusieurs photons intriqués. Intriqué signifie qu’ils sont si étroitement liés que vous ne pouvez plus décrire un photon indépendamment de l’autre. Nous voulons mieux comprendre ces nouveaux états de lumière.
Pierre Steindl. Crédit : Université de Leiden
La physique des photons uniques
La physique des photons uniques est un domaine relativement nouveau. Dans les années 1970, les physiciens parviennent pour la première fois à isoler un photon. Cependant, ces sources monophotoniques n’étaient pas encore très efficaces ni robustes. Les développements technologiques, comme l’utilisation de points quantiques dans des microcavités optiques, ont facilité le contrôle de la production de photons uniques. Un autre avantage de la microcavité est que le photon est éjecté à grande vitesse, ce qui lui permet de mieux conserver son état. Il en résulte des photons uniques de haute qualité, bien adaptés aux structures sur lesquelles Steindl travaille.
Avantages pour les technologies quantiques
L’objectif est d’utiliser à terme ces nouvelles structures lumineuses pour la communication quantique, explique Steindl. « Nous savons que les photons uniques sont utiles pour la sécurité et l’authentification. Par exemple, vous pouvez envoyer deux photons uniques identiques depuis des emplacements différents sur un séparateur de faisceau. Si ces photons arrivent dans un état altéré ou non simultanément, vous savez qu’il y a eu une écoute indiscrète. La recherche pourrait également s’avérer utile pour construire des ordinateurs quantiques. Un élément fondamental est une porte quantique, mais elle est difficile à réaliser. Avec les structures sur lesquelles Steindl travaille, cela ne sera pas nécessaire.
«Je trouve absolument incroyable de construire ces structures lumineuses», déclare Steindl avec enthousiasme. « Le fait qu’il soit possible de faire cela est ahurissant. Que nous pouvons comprendre la physique à un niveau aussi profond. Bien que fascinant, le potentiel des applications quantiques me semble presque être un effet secondaire. Passer de la littérature au quantique a peut-être été une grande étape, mais cela a été suffisamment passionnant pour y consacrer plusieurs années et je ne m’en lasse pas encore.
