Comme dans la circulation routière normale, les croisements sont indispensables dans le traitement du signal optique. Afin d'éviter les collisions, une règle de circulation claire est requise. Une nouvelle méthode a maintenant été développée à TU Wien pour fournir une telle règle pour les signaux lumineux. Dans ce but, les deux fibres de verre ont été couplées à leur point d'intersection à un résonateur optique, dans lequel la lumière circule et se comporte comme dans un rond-point. Le sens de circulation est défini par un seul atome couplé au résonateur. L'atome garantit également que la lumière quitte toujours le rond-point à la prochaine sortie. Cette règle est toujours valable même si la lumière n'est constituée que de photons individuels. Un tel rond-point sera par conséquent installé dans des puces optiques intégrées - une étape importante pour le traitement du signal optique.

Traitement du signal utilisant la lumière au lieu de l'électronique

Le terme "circulateurs optiques" désigne des éléments au point d'intersection de deux fibres optiques perpendiculaires entre elles qui dirigent des signaux lumineux d'une fibre à l'autre, pour que la direction de la lumière change toujours, par exemple, de 90° dans le sens des aiguilles d'une montre.

"Ces composants ont longtemps été utilisés pour propager librement des faisceaux lumineux, " explique Arno Rauschenbeutel du Centre de Vienne pour la science et la technologie quantiques de l'Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien. " De tels circulateurs optiques sont principalement basés sur l'effet Faraday :un champ magnétique puissant est appliqué à un matériau transparent , qui est situé entre deux diviseurs de faisceaux de polarisation qui sont tournés l'un par rapport à l'autre. La direction du champ magnétique brise la symétrie et détermine dans quelle direction la lumière est redirigée."

Cependant, pour des raisons techniques, les composants qui utilisent l'effet Faraday ne peuvent pas être réalisés sur les petites échelles de la nanotechnologie. C'est regrettable car de tels composants sont importants pour les futures applications technologiques. "Aujourd'hui, nous essayons de construire des circuits intégrés optiques avec des fonctions similaires à celles connues de l'électronique, " explique Rauschenbeutel. D'autres méthodes pour briser la symétrie de la lumière ne fonctionnent qu'à des intensités lumineuses très élevées ou souffrent de pertes optiques élevées. Cependant, en nanotechnologie, on aimerait pouvoir traiter de très petits signaux lumineux, idéalement des impulsions lumineuses constituées uniquement de photons individuels.

Deux fibres de verre et une bouteille pour la lumière

L'équipe d'Arno Rauschenbeutel choisit une voie complètement différente :ils couplent un seul atome de rubidium au champ lumineux d'un "résonateur de bouteille" - un objet en verre bulbeux microscopique à la surface duquel circule la lumière. Si un tel résonateur est placé au voisinage de deux fibres de verre ultrafines, les deux systèmes se couplent. Sans atome, la lumière passe d'une fibre de verre à l'autre via le résonateur de la bouteille. De cette façon, cependant, aucun sens de circulation n'est défini pour le circulateur :lumière, qui est dévié de 90° dans le sens des aiguilles d'une montre, peut également voyager en arrière par le même itinéraire, c'est-à-dire dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Afin de briser cette symétrie avant/arrière, L'équipe d'Arno Rauschenbeutel couple en plus un atome au résonateur, qui empêche le couplage de la lumière dans le résonateur, et donc le surcouplage dans l'autre fibre de verre pour l'un des deux sens de circulation. Pour cette astuce, une propriété particulière de la lumière est utilisée à la TU Wien :la direction d'oscillation de l'onde lumineuse, également connu sous le nom de sa polarisation.

L'interaction entre l'onde lumineuse et le résonateur de la bouteille entraîne un état d'oscillation inhabituel. "La polarisation tourne comme le rotor d'un hélicoptère, " explique Arno Rauschenbeutel. Le sens de rotation dépend de si la lumière dans le résonateur se déplace dans le sens horaire ou antihoraire :dans un cas la polarisation tourne dans le sens antihoraire, tandis que dans l'autre cas, il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Le sens de circulation et la polarisation de la lumière sont donc verrouillés ensemble.

Si l'atome de rubidium est correctement préparé et couplé au résonateur, on peut faire différer son interaction avec la lumière pour les deux sens de circulation. "La lumière circulant dans le sens des aiguilles d'une montre n'est pas affectée par l'atome. La lumière dans la direction opposée, d'autre part, se couple fortement à l'atome et ne peut donc pas entrer dans le résonateur, " explique Arno Rauschenbeutel. Cette asymétrie du couplage atome-lumière par rapport à la direction de propagation de la lumière dans le résonateur permet de contrôler le fonctionnement du circulateur :le sens de circulation souhaité peut être ajusté via l'état interne de l'atome.

"Parce que nous n'utilisons qu'un seul atome, nous pouvons contrôler subtilement le processus, " dit Rauschenbeutel. " L'atome peut être préparé dans un état dans lequel les deux règles de circulation s'appliquent en même temps :toutes les particules légères voyagent alors ensemble à travers le circulateur dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. " Heureusement, c'est impossible selon les règles de la physique classique, car cela entraînerait un chaos dans la circulation routière. En physique quantique, cependant, de telles superpositions d'états différents sont autorisées, ce qui ouvre des possibilités entièrement nouvelles et passionnantes pour le traitement optique de l'information quantique.