Une étude de Technion dévoile une forme nouvellement découverte d'enchevêtrement quantique dans le moment angulaire total des photons confinés dans les structures à l'échelle nanométrique. Cette découverte pourrait jouer un rôle clé dans la future miniaturisation des composants de communication quantique et informatique.
La physique quantique conduit parfois à des prédictions très non conventionnelles. C'est ce qui s'est produit quand Albert Einstein et ses collègues, Boris Podolsky et Nathan Rosen (qui ont ensuite fondé la Faculté de physique de la technion), ont trouvé un scénario dans lequel la connaissance de l'état d'une particule affecte immédiatement l'état de l'autre particule, peu importe la qualité de la distance entre eux. Leur article historique de 1935 a été surnommé EPR après ses trois auteurs (Einstein – Podolsky – Rosé).
L'idée que la connaissance de l'état d'une particule affectera une autre particule située à une grande distance de celle-ci, sans interaction physique et transfert d'informations, semblait absurde à Einstein, qui l'a appelée « l'action effrayante à distance ».
Mais un travail révolutionnaire par un autre chercheur en technion, le professeur de recherche Asher Peres de la Faculté de physique, a montré que cette propriété peut être utilisée pour transmettre des informations de manière cachée – la téléportation de Quantum, qui est la base de la communication quantique. Cette découverte a été faite par le professeur Peres avec ses collègues Charles Bennett et Gilles Brassard.
Le phénomène a ensuite reçu le nom scientifique quantum enchevêtrement, et pour sa mesure et ses implications, qui incluent la possibilité de calcul quantique et de communication quantique, le prix Nobel de la physique 2022 a été attribué à Profs. Alain Aspect et Anton Zeilinger, qui ont précédemment reçu un doctorat honorifique de la technion, et leur collègue le professeur John Clauser.
Un enchevêtrement quantique a été démontré jusqu'à présent pour une grande variété de particules et pour leurs différentes propriétés. Pour les photons, les particules de lumière, l'intrication peuvent exister pour leur direction de voyage, de fréquence (couleur) ou de direction dans laquelle leur champ électrique pointe. Il peut également exister pour des propriétés plus difficiles à imaginer, comme le moment angulaire.
Cette propriété est divisée en spin, qui est liée à la rotation par le photon du champ électrique, et en orbite, qui est liée au mouvement de rotation du photon dans l'espace. Ceci est intuitivement similaire à la Terre, qui tourne sur son axe et orbite également le soleil dans un chemin circulaire.
Il est facile pour nous d'imaginer ces deux propriétés de rotation en quantités distinctes, et en effet, des photons liés dans un faisceau de lumière beaucoup plus large que leur longueur d'onde. Cependant, lorsque nous essayons de mettre des photons dans des structures plus petites que la longueur d'onde photonique – qui est l'effort du champ de nanophotonique – nous découvrons qu'il est impossible de séparer les différentes propriétés de rotation, et le photon est caractérisé par une seule quantité, le moment angulaire total.
Alors pourquoi voudrions-nous même mettre des photons dans de si petites structures? Il y a deux raisons principales à cela. L'une est évidente – elle nous aidera à miniaturiser les appareils qui utilisent la lumière et à presser ainsi plus d'opérations dans une cellule de petite zone, similaire à la miniaturisation des circuits électroniques.
L'autre raison est encore plus importante: cette miniaturisation augmente l'interaction entre le photon et le matériau à travers lequel le photon se déplace (ou est proche), nous permettant ainsi de produire des phénomènes et des utilisations qui ne sont pas possibles avec les photons dans leurs dimensions « normales ».
Dans une étude publiée dans la revue Natureles chercheurs en technion, dirigés par le doctorat. L'étudiant Amit Kam et le Dr Shai Tsesses, ont découvert qu'il était possible d'embarquer des photons dans les systèmes à l'échelle nanométrique qui ont un millième de la taille d'un cheveux, mais l'enchevêtrement n'est pas effectué par les propriétés conventionnelles du photon, comme le spin ou la trajectoire, mais uniquement par le moment angulaire total.
Les chercheurs en technion ont révélé le processus que les photons subissent de l'étape dans laquelle ils sont introduits dans le système à l'échelle nanométrique jusqu'à ce qu'ils sortent du système de mesure, et ont constaté que cette transition enrichit l'espace des états dans lesquels les photons peuvent résider.
Dans une série de mesures, les chercheurs ont cartographié ces états, les ont enchevêtrés avec la même propriété unique aux systèmes à l'échelle nanométrique et ont confirmé la correspondance entre les paires de photons qui indiquent l'enchevêtrement quantique.
Il s'agit de la première découverte d'un nouvel enchevêtrement quantique en plus de 20 ans, et cela peut conduire à l'avenir au développement de nouveaux outils pour la conception de composants de communication quantique basés sur des photons et de calculs, ainsi qu'à leur miniaturisation significative.
