Émission d’un photon unique dans la lentille fish-eye Maxwell. Crédit : Oliver Diekmann (TU Wien)
Les scientifiques ont développé un « ping-pong quantique » : à l’aide d’une lentille spéciale, deux atomes peuvent faire rebondir un seul photon d’avant en arrière avec une grande précision.
Les atomes peuvent absorber et réémettre de la lumière : c’est un phénomène quotidien. Cependant, dans la plupart des cas, un atome émet une particule lumineuse dans toutes les directions possibles — récupérer ce photon est donc assez difficile.
Une équipe de recherche de la TU Wien à Vienne (Autriche) a désormais pu démontrer théoriquement qu’en utilisant une lentille spéciale, il est possible de garantir qu’un seul photon émis par un atome sera réabsorbé par un deuxième atome. Ce deuxième atome absorbe non seulement le photon, mais le renvoie directement au premier atome. De cette façon, les atomes se transmettent le photon de manière précise. précision encore et encore – comme au ping-pong.
Objectif fish-eye Maxwell à deux atomes. Un photon (vert) voyage entre les deux atomes le long des rayons lumineux incurvés (blanc). Crédit : Oliver Diekmann (TU Wien)
Comment apprivoiser une vague
« Si un atome émet un photon quelque part dans l’espace libre, la direction d’émission est complètement aléatoire. Cela rend pratiquement impossible de faire en sorte qu’un autre atome éloigné capte à nouveau ce photon », explique le professeur Stefan Rotter de l’Institut de physique théorique de la TU Wien. « Le photon se propage comme une onde, ce qui signifie que personne ne peut dire exactement dans quelle direction il se déplace. C’est donc un pur hasard si la particule lumineuse est réabsorbée ou non par un deuxième atome.
La situation est différente si l’expérimentation n’est pas réalisée en espace libre, mais dans un environnement clos. En acoustique, on connaît quelque chose de similaire dans ce que l’on appelle les galeries de chuchotement : si deux personnes se placent dans une pièce elliptique exactement aux points focaux de l’ellipse, elles s’entendent parfaitement, même lorsqu’elles ne font que chuchoter à voix basse. Les ondes sonores sont réfléchies par le mur elliptique de telle sorte qu’elles se retrouvent exactement là où se trouve la deuxième personne – cette personne peut donc parfaitement entendre le murmure silencieux.
« En principe, quelque chose de similaire pourrait être construit pour les ondes lumineuses lors du positionnement de deux atomes aux points focaux d’une ellipse », explique Oliver Diekmann, le premier auteur de la publication actuelle. « Mais en pratique, il faudrait que les deux atomes soient positionnés très précisément à ces points focaux. »
Simulation numérique de l’émission et de l’absorption répétées d’un seul photon dans le « ping-pong quantique ». Crédit : Oliver Diekmann (TU Wien)
L’objectif fish-eye Maxwell
L’équipe de recherche a donc mis au point une meilleure stratégie basée sur le concept de lentille fish-eye, développé par James Clerk Maxwell, le fondateur de l’électrodynamique classique. La lentille comprend un indice de réfraction variable dans l’espace. Alors que la lumière se déplace en lignes droites dans un milieu uniforme tel que l’air ou l’eau, les rayons lumineux sont courbés dans une lentille fish-eye Maxwell.
«De cette façon, il est possible de garantir que tous les rayons émanant d’un atome atteignent le bord de la lentille selon une trajectoire courbe, sont ensuite réfléchis et arrivent ensuite à l’atome cible par une autre trajectoire courbe», explique Oliver Diekmann. Dans ce cas, l’effet fonctionne beaucoup plus efficacement que dans une simple ellipse et les écarts par rapport aux positions idéales des atomes sont moins nocifs.
« Le champ lumineux de cet objectif fish-eye Maxwell se compose de nombreux modes oscillatoires différents. Cela rappelle le fait de jouer d’un instrument de musique où différentes harmoniques sont générées en même temps », explique Stefan Rotter. « Nous avons pu montrer que le couplage entre l’atome et ces différents modes d’oscillation peut être adapté de telle sorte que le photon soit transféré d’un atome à l’autre de manière presque certaine – bien différent de ce qui serait le cas dans l’espace libre. .»
Une fois que l’atome a absorbé le photon, il est laissé dans un état d’énergie plus élevée jusqu’à ce qu’il réémet le photon après un temps très court. Ensuite, le jeu recommence : les deux atomes échangent leurs rôles et le photon est renvoyé de l’atome récepteur à l’atome émetteur d’origine – et ainsi de suite.
Contrôle optimal pour les technologies quantiques
Jusqu’à présent, l’effet a été démontré théoriquement, mais des tests pratiques sont possibles avec la technologie actuelle. «En pratique, l’efficacité pourrait être encore augmentée en utilisant non seulement deux atomes, mais deux groupes d’atomes», explique Stefan Rotter. « Le concept pourrait être un point de départ intéressant pour les systèmes de contrôle quantique afin d’étudier les effets d’une interaction lumière-matière extrêmement forte. »
