Image caméra d'un faisceau laser en fausses couleurs, qui se compose de photons en superposition avec des nombres quantiques compris entre +10, 000 et -10, 000. Après avoir zoomé deux fois, l'énorme complexité de la structure peut être révélée. Crédit :IQOQI Vienne / Robert Fickler
L'équipe de recherche de l'Université de Vienne a réussi à battre deux nouveaux records en expérimentant avec des particules de lumière dites tordues. Ces résultats, maintenant publié dans la revue PNAS , sont non seulement d'un intérêt fondamental, mais donnent également une idée de l'énorme capacité d'information qu'une seule particule de lumière peut offrir dans les applications futures.
Lumière tordue
À maintes reprises, propriétés de la lumière surprennent le monde de la recherche. Par exemple, la lumière peut être amenée sous forme de tire-bouchon afin de produire ce qu'on appelle des "vis de lumière", comme Anton Zeilinger, physicien quantique à l'Université de Vienne, décrit. Le fait étonnant est que l'on peut en principe imposer n'importe quel nombre d'enroulements à chaque particule lumineuse individuelle - appelés photons. Plus le nombre d'enroulements est grand, plus le nombre dit quantique avec lequel le photon est décrit est grand. Les résultats des scientifiques viennois du Centre de Vienne pour la science et la technologie quantiques (VCQ) de l'Université de Vienne et de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique de Vienne (IQOQI Vienne) de l'Académie autrichienne des sciences ont maintenant utilisé cette fonctionnalité dans deux papiers, battre les records précédents sur la distance de transmission et la magnitude du nombre quantique.
Message transmis par lumière tordue sur 143 kilomètres
En principe, la lumière tordue peut transporter une grande quantité arbitraire d'informations par photon. Ceci est en contraste avec la polarisation de la lumière, qui est limité à un bit par photon. Par exemple, débits de données jusqu'à 100 térabits par seconde, qui correspondent à environ 120 disques Blu-Ray par seconde, ont déjà été obtenus dans des conditions de laboratoire. La transmission dans des conditions réalistes, cependant, est encore à ses balbutiements. En plus de la transmission sur de courtes distances dans des fibres optiques spéciales, transmission de ces faisceaux lumineux sur l'espace libre, requis par exemple pour la communication par satellite, était limité à trois kilomètres jusqu'à présent; réalisé par la même équipe viennoise il y a deux ans.
Vis de lumière sur le chemin long de 143 km entre les îles canaries de La Palma et Tenerife. Crédit :Université de Vienne
Dans l'étude actuelle, l'équipe de recherche autour d'Anton Zeilinger et Mario Krenn montre que les informations codées en lumière tordue peuvent encore être reconstruites même après plus de 100 kilomètres. L'expérience a été menée entre les îles canaries de La Palma et Tenerife, qui est à 143 kilomètres. "Le message 'Bonjour tout le monde !' a été codé sur un laser vert avec un hologramme optique, et reconstruit avec un réseau de neurones artificiels sur l'autre île", explique Krenn, Doctorant dans le groupe Zeilinger. Ayant montré que ces propriétés lumineuses sont en principe maintenues sur de longues distances, elles doivent maintenant être combinées avec les technologies de communication modernes - une tâche que plusieurs groupes dans le monde commencent déjà à accomplir.
Intrication quantique avec des nombres quantiques à 5 chiffres
En collaboration avec le groupe de recherche de Ping Koy Lam à Canberra, Australie, le groupe viennois d'Anton Zeilinger a également étudié la force avec laquelle des photons uniques peuvent être tordus dans la structure en forme de vis sans perdre des caractéristiques quantiques distinctes. En d'autres termes, la physique quantique tient-elle encore dans la limite des grands nombres quantiques ou la physique classique et l'expérience quotidienne reprennent-elles le dessus ? Dans ce but, les chercheurs ont profité d'une nouvelle technique mise au point par leurs collègues australiens. Là, ils ont établi une technique pour fabriquer des miroirs à phase spirale pour tordre les photons d'une manière sans précédent et ainsi augmenter les nombres quantiques à des valeurs énormes. Les miroirs, sur mesure pour l'expérience de Vienne, permettre la génération de photons en forme de vis avec des nombres quantiques supérieurs à 10, 000, ce qui est cent fois plus grand que dans les expériences précédentes.
Image de la vis de lumière sur le mur du télescope Optical Ground Station de l'ESA à Tenerife, Les îles Canaries, après avoir été transmis sur plus de 100 km. La structure en forme d'anneau, une signature de vis de lumière, est encore bien visible. Crédit :Université de Vienne
En premier, les chercheurs viennois ont généré des paires de photons intriqués, c'est-à-dire deux particules de lumière qui sont apparemment connectées bien qu'elles soient séparées par une distance arbitraire. L'intrication est le phénomène distinct de la physique quantique, qu'Einstein a décrit comme "une action effrayante à distance". A l'issue de cette première étape, les chercheurs ont ensuite tordu l'un des photons avec les miroirs australiens sans détruire l'intrication, démontrant ainsi que la physique quantique tient même si des nombres quantiques à 5 chiffres sont intriqués. Bien que guidé par des questions fondamentales, les applications futures peuvent déjà être anticipées. "L'énorme complexité de la structure de la lumière est fascinante et peut être considérée comme une indication intuitive de la quantité d'informations devant tenir sur un seul photon", explique Robert Fickler, auteur principal de l'étude et travaille actuellement comme stagiaire postdoctoral à l'Université d'Ottawa, Canada.
D'où, dans les deux études, les chercheurs ont établi de nouveaux enregistrements avec des « vis de lumière » pour enquêter sur des questions fondamentales et ouvrir la voie à d'éventuelles technologies futures.
