Vortex Power : le tourbillon de lumière révolutionne l’informatique quantique

Une nouvelle étude des photons en informatique quantique a fait une découverte surprenante : lorsque les photons entrent en collision, ils créent des vortex.

Des chercheurs de l'Institut scientifique Weizmann ont découvert un nouveau type de vortex formé par photon interactions, qui pourraient faire progresser l'informatique quantique.

Phénomènes de vortex

Les vortex sont un phénomène naturel répandu, observable dans les formations tourbillonnantes des galaxies, des tornades et des ouragans, ainsi que dans des contextes plus simples comme une tasse de thé en remuant ou l'eau qui coule en spirale dans le drain d'une baignoire. En règle générale, les vortex se forment lorsqu'une substance en mouvement rapide telle que l'air ou l'eau rencontre une zone en mouvement plus lent, créant un mouvement circulaire autour d'un axe fixe. Essentiellement, les tourbillons servent à concilier les différences de vitesses d’écoulement entre régions adjacentes.

Un anneau vortex et des lignes créées par l'influence de trois photons les uns sur les autres. La couleur décrit la phase du champ électrique, qui effectue une rotation de 360 ​​​​degrés autour du noyau du vortex. Crédit : Institut des sciences Weizmann

Découverte d'un nouveau type de vortex

Un type de vortex jusqu'alors inconnu a été découvert dans une étude publiée dans Science, menée par le Dr Lee Drori, le Dr Bankim Chandra Das, Tomer Danino Zohar et le Dr Gal Winer du laboratoire du professeur Ofer Firstenberg du département de physique des systèmes complexes de l'Institut Weizmann des sciences. Les chercheurs ont cherché un moyen efficace d’utiliser les photons pour traiter les données dans les ordinateurs quantiques et ont découvert quelque chose d’inattendu : ils ont réalisé que dans les rares cas où deux photons interagissent, ils créent des vortex. Non seulement cette découverte contribue à la compréhension fondamentale des vortex, mais elle pourrait à terme contribuer à l'objectif initial de l'étude, à savoir améliorer le traitement des données en informatique quantique.

Interactions photoniques et informatique quantique

L’interaction entre les photons – particules lumineuses qui se comportent également comme des ondes – n’est possible qu’en présence de matière qui sert d’intermédiaire. Dans leur expérience, les chercheurs ont forcé les photons à interagir en créant un environnement unique : une cellule de verre de 10 centimètres complètement vide, à l'exception des atomes de rubidium qui étaient si étroitement entassés au centre du récipient qu'ils formaient un petit gaz dense. nuage d'environ 1 millimètre de long. Les chercheurs ont émis de plus en plus de photons à travers ce nuage, ont examiné leur état après leur passage et ont regardé s'ils s'étaient influencés mutuellement d'une manière ou d'une autre.

Lorsque le nuage de gaz était le plus dense et que les photons étaient proches les uns des autres, ils exerçaient le plus haut niveau d’influence mutuelle.

Interactions dynamiques dans des nuages ​​​​de gaz denses

« Lorsque les photons traversent le nuage de gaz dense, ils envoient un certain nombre d'atomes dans des états électroniquement excités appelés états de Rydberg », explique Firstenberg. « Dans ces états, l'un des électrons du atome commence à se déplacer sur une orbite 1 000 fois plus large que le diamètre d’un atome non excité. Cet électron crée un champ électrique qui influence un grand nombre d’atomes adjacents, les transformant en une sorte de « boule de verre » imaginaire.

L’image d’une boule de verre reflète le fait que le deuxième photon présent dans la zone ne peut ignorer l’environnement créé par le premier photon et, en réponse, il modifie sa vitesse – comme s’il traversait le verre. Ainsi, lorsque deux photons passent relativement près l’un de l’autre, ils se déplacent à une vitesse différente de celle qu’ils auraient eue s’ils avaient voyagé seuls. Et lorsque la vitesse du photon change, la position des pics et des creux de l’onde qu’il transporte change également. Dans le cas optimal d’utilisation des photons en informatique quantique, les positions des pics et des creux s’inversent complètement les unes par rapport aux autres, en raison de l’influence des photons les uns sur les autres – un phénomène connu sous le nom de déphasage de 180 degrés.

En bas à gauche, dans le sens des aiguilles d'une montre : Dr Lee Drori, Tomer Danino Zohar, Dr Alexander Poddubny, professeur Ofer Firstenberg, Dr Gal Winer, Dr Eilon Poem et Dr Bankim Chandra Das. Crédit : Institut des sciences Weizmann

Recherche pionnière sur la dynamique des photons

La direction prise par la recherche était aussi unique et extraordinaire que les trajectoires des photons dans le nuage de gaz. L'étude, à laquelle participaient également le Dr Eilon Poem et le Dr Alexander Poddubny, a débuté il y a huit ans et a vu deux générations de doctorants passer par le laboratoire de Firstenberg.

Au fil du temps, les scientifiques de Weizmann ont réussi à créer un nuage de gaz dense et ultrafroid, rempli d'atomes. En conséquence, ils ont réalisé quelque chose d’inédit : des photons ont subi un déphasage de 180 degrés – et parfois plus. Lorsque le nuage de gaz était le plus dense et que les photons étaient proches les uns des autres, ils exerçaient le plus haut niveau d’influence mutuelle. Mais lorsque les photons s’éloignaient les uns des autres ou que la densité atomique autour d’eux diminuait, le déphasage s’affaiblissait et disparaissait.

Le comportement surprenant des vortex de photons

L’hypothèse dominante était que cet affaiblissement serait un processus graduel, mais les chercheurs ont été surpris : une paire de vortex se développait lorsque deux photons étaient éloignés d’une certaine distance. Dans chacun de ces vortex, les photons ont effectué un déphasage de 360 ​​degrés et, en leur centre, il n’y avait presque aucun photon – tout comme dans le centre sombre que nous connaissons pour d’autres vortex.

Les scientifiques ont découvert que la présence d’un seul photon affectait 50 000 atomes, ce qui à son tour influençait le mouvement d’un deuxième photon.

Aperçu de la dynamique du vortex de photons

Pour comprendre les vortex de photons, pensez à ce qui se passe lorsque vous faites glisser une plaque verticale dans l’eau. Le mouvement rapide de l’eau poussée par la plaque rencontre le mouvement plus lent autour d’elle. Cela crée deux vortex qui, vus du dessus, semblent se déplacer ensemble le long de la surface de l'eau, mais en réalité, ils font partie d'une configuration tridimensionnelle connue sous le nom d'anneau vortex : la partie immergée de la plaque crée un demi-anneau. , qui relie les deux tourbillons visibles à la surface, les obligeant à se déplacer ensemble.

Un autre exemple familier d’anneaux de vortex est celui des anneaux de fumée. Dans les dernières étapes de l'étude, les chercheurs ont observé ce phénomène en introduisant un troisième photon, ce qui a ajouté une dimension supplémentaire aux résultats : les scientifiques ont découvert que les deux vortex observés lors de la mesure de deux photons font partie d'un anneau de vortex tridimensionnel. généré par l’influence mutuelle des trois photons. Ces résultats démontrent à quel point les vortex nouvellement découverts sont similaires à ceux connus dans d’autres environnements.

Avancées vers le traitement des données quantiques

Les vortex ont peut-être volé la vedette dans cette étude, mais les chercheurs continuent de travailler vers leur objectif de traitement des données quantiques. La prochaine étape de l’étude consistera à tirer les photons les uns sur les autres et à mesurer le déphasage de chaque photon séparément. En fonction de la force des déphasages, les photons pourraient être utilisés comme qubits – les unités d’information de base de l’informatique quantique. Contrairement aux unités de mémoire informatique classiques, qui peuvent être 0 ou 1, les bits quantiques peuvent représenter simultanément une plage de valeurs comprises entre 0 et 1.