La probabilité de trouver un certain nombre de photons à l'intérieur d'une impulsion laser correspond généralement à une distribution classique d'événements indépendants, la distribution dite de Poisson. Il y a, cependant, sources de lumière avec des distributions de nombre de photons non classiques qui ne peuvent être décrites que par les lois de la mécanique quantique. Un exemple bien connu est la source de photons uniques qui peut trouver une application en cryptographie quantique pour la distribution de clés secrètes ou dans les réseaux quantiques pour connecter des mémoires quantiques et des processeurs. Cependant, pour de nombreuses applications en optique quantique non linéaire des impulsions lumineuses avec un certain nombre fixe de photons, par exemple. deux, trois ou quatre, sont hautement souhaitables. Une équipe de scientifiques de la division de dynamique quantique du professeur Gerhard Rempe de l'institut Max Planck d'optique quantique (Garching près de Munich) a maintenant réussi à faire les premiers pas dans cette direction. En utilisant un système atome-cavité fortement couplé, ils ont été les premiers à observer le blocus dit à deux photons :le système émet au plus deux photons en même temps puisque sa capacité de stockage est limitée à ce nombre ( PRL , 31 mars 2017).

Une approche naïve pour générer un flux de photons uniques serait d'atténuer suffisamment l'intensité d'un faisceau laser. Mais dans ce cas, le nombre de photons varie toujours d'une impulsion à l'autre, et ce n'est qu'en faisant la moyenne sur de nombreuses impulsions qu'un nombre moyen de photons de un est observé. Les applications nécessitent plutôt un nombre fixe d'exactement un photon par impulsion. Les fluctuations du nombre de photons par impulsion peuvent être fortement réduites en utilisant un seul atome comme source de photons uniques. Lorsque l'atome est éclairé par un faisceau laser, il ne peut absorber qu'un photon à la fois, faisant ainsi une transition de l'état fondamental à un état excité. Un deuxième photon ne peut être absorbé qu'après que l'atome soit retombé à l'état fondamental en émettant un photon. Par conséquent, pas plus d'un photon n'est détecté dans le champ lumineux émis en même temps, un effet connu sous le nom de "blocage à photon unique".

Afin d'étendre ce principe à un "blocage à deux photons", il faut aller au-delà d'un seul atome et rechercher un système qui peut stocker plus d'un photon, mais pas plus de deux. À cette fin, les physiciens du MPQ combinent l'atome unique avec une cavité qui offre des capacités de stockage supplémentaires. Une cavité peut absorber un nombre illimité de photons et présente un grand nombre d'états énergétiques correspondants qui se trouvent - comme une "échelle" - exactement à la même distance les uns des autres. L'insertion d'un seul atome dans la cavité introduit un élément non linéaire. Cela provoque une division des niveaux d'énergie d'une quantité différente pour chacune des « étapes de l'échelle ». D'où, la lumière laser ne peut exciter le système que jusqu'au niveau auquel il est réglé. Le nombre de photons pouvant être stockés est ainsi limité à un certain nombre, et donc, pas plus de photons que cela ne peut être émis.

Dans l'expérience, les physiciens détiennent un seul atome de rubidium dans un piège optique à l'intérieur d'une cavité constituée de deux miroirs à haute finesse. La fréquence du faisceau laser entrant est accordée à un niveau d'énergie nécessitant l'absorption de deux photons pour son excitation. Pendant les cinq secondes de stockage des atomes, environ 5000 cycles de mesure sont effectués, au cours de laquelle le système est irradié par une sonde laser et l'émission de la cavité est enregistrée via des détecteurs à photon unique. "De façon intéressante, les fluctuations du nombre de photons émis dépendent fortement du fait que l'on excite la cavité ou l'atome, " souligne le chef de projet Dr. Tatjana Wilk. " L'effet que l'absorption de deux photons supprime une absorption supplémentaire conduisant à l'émission de deux photons ou moins n'est obtenu qu'en cas d'excitation atomique. Cet effet quantique n'apparaît pas lorsque l'on excite la cavité. Dans ce cas, nous observons un signal amélioré de trois photons et plus par impulsion lumineuse."

Christoph Hamsen, doctorant à l'expérimentation, explique les processus sous-jacents :"Lorsque l'atome est excité, nous avons affaire à l'interaction entre deux mécanismes en conflit. D'une part, l'atome ne peut absorber qu'un photon à la fois. D'autre part, le système atome-cavité fortement couplé est en résonance avec une transition à deux photons. Cette interaction conduit à une séquence de plus légers avec une distribution photonique non classique." Et Nicolas Tolazzi, un autre doctorant, ajoute:"Nous avons pu observer ce comportement dans les corrélations entre les photons détectés où la coïncidence de trois photons était significativement supprimée par rapport à l'attente pour le cas classique."

Le Pr Gerhard Rempe donne un aperçu des prolongements possibles de l'expérience :« Actuellement, notre système émet des impulsions lumineuses avec deux photons au maximum, mais aussi des impulsions avec moins, un ou même zéro, photons. Il agit comme une sorte de « passe-bas ». Il y a, cependant, un certain nombre d'applications pour la communication quantique et le traitement de l'information quantique où exactement deux, trois ou quatre photons sont nécessaires. Notre objectif ultime est la génération d'états purs où chaque impulsion lumineuse contient exactement le même nombre souhaité de photons. Le blocus à deux photons démontré dans notre expérience est le premier pas dans cette direction." Olivia Meyer-Streng