Ordinairement, les particules lumineuses (photons) n'interagissent pas. Si deux photons entrent en collision dans le vide, ils se traversent simplement.

Un moyen efficace de faire interagir les photons pourrait ouvrir de nouvelles perspectives à la fois pour l'optique classique et l'informatique quantique, une technologie expérimentale qui promet de grandes accélérations sur certains types de calculs.

Dans les années récentes, les physiciens ont permis des interactions photon-photon en utilisant des atomes d'éléments rares refroidis à très basse température.

Mais dans le dernier numéro de Lettres d'examen physique , Des chercheurs du MIT décrivent une nouvelle technique pour permettre les interactions photon-photon à température ambiante, en utilisant un cristal de silicium avec des motifs distinctifs gravés dedans. Dans le jargon de la physique, le cristal introduit des "non-linéarités" dans la transmission d'un signal optique.

"Toutes ces approches qui avaient des atomes ou des particules semblables à des atomes nécessitent des températures basses et fonctionnent sur une bande de fréquences étroite, " dit Dirk Englund, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique au MIT et auteur principal du nouveau document. "Cela a été un Saint Graal de trouver des méthodes pour réaliser des non-linéarités au niveau d'un photon unique à température ambiante dans des conditions ambiantes."

Rejoindre Englund sur le papier sont Hyeongrak Choi, un étudiant diplômé en génie électrique et informatique, et Mikkel Heuck, qui était post-doctorant dans le laboratoire d'Englund lorsque le travail a été effectué et qui est maintenant à l'Université technique du Danemark.

Indépendance photonique

Les ordinateurs quantiques exploitent une étrange propriété physique appelée "superposition, " dans lequel on peut dire qu'une particule quantique habite deux états contradictoires en même temps. Le spin, ou orientation magnétique, d'un électron, par exemple, pourrait être à la fois haut et bas; la polarisation d'un photon peut être à la fois verticale et horizontale.

Si une chaîne de bits quantiques ou qubits, l'analogue quantique des bits dans un ordinateur classique - est en superposition, ça peut, en quelques sortes, rechercher simultanément plusieurs solutions au même problème, c'est pourquoi les ordinateurs quantiques promettent des accélérations.

La plupart des qubits expérimentaux utilisent des ions piégés dans des champs magnétiques oscillants, circuits supraconducteurs, ou—comme les propres recherches d'Englund—des défauts dans la structure cristalline des diamants. Avec toutes ces technologies, cependant, les superpositions sont difficiles à maintenir.

Parce que les photons ne sont pas très sensibles aux interactions avec l'environnement, ils sont excellents pour maintenir la superposition; mais pour la même raison, ils sont difficiles à contrôler. Et l'informatique quantique dépend de la capacité à envoyer des signaux de contrôle aux qubits.

C'est là qu'interviennent les nouveaux travaux des chercheurs du MIT. Si un seul photon pénètre dans leur appareil, il passera sans entrave. Mais si deux photons - dans les bons états quantiques - essaient d'entrer dans l'appareil, ils seront reflétés.

L'état quantique de l'un des photons peut ainsi être considéré comme contrôlant l'état quantique de l'autre. Et la théorie de l'information quantique a établi que de simples "portes" quantiques de ce type sont tout ce qui est nécessaire pour construire un ordinateur quantique universel.

Résonance antipathique

Le dispositif des chercheurs consiste en un long étroit, cristal de silicium rectangulaire avec des trous régulièrement espacés gravés dedans. Les trous sont les plus larges aux extrémités du rectangle, et ils se rétrécissent vers son centre. La connexion des deux trous du milieu est un canal encore plus étroit, et en son centre, sur les côtés opposés, sont deux pointes concentriques pointues. Le motif des trous emprisonne temporairement la lumière dans l'appareil, et les pointes concentriques concentrent le champ électrique de la lumière piégée.

Les chercheurs ont prototypé l'appareil et ont montré qu'il confinait à la fois la lumière et concentrait le champ électrique de la lumière au degré prédit par leurs modèles théoriques. Mais transformer l'appareil en une porte quantique nécessiterait un autre composant, un diélectrique pris en sandwich entre les pointes. (Un diélectrique est un matériau qui est normalement électriquement isolant mais qui deviendra polarisé - toutes ses charges positives et négatives s'aligneront dans la même direction - lorsqu'il est exposé à un champ électrique.)

Lorsqu'une onde lumineuse passe à proximité d'un diélectrique, son champ électrique déplacera légèrement les électrons des atomes du diélectrique. Lorsque les électrons reviennent, ils vacillent, comme la balançoire d'un enfant lorsqu'elle est poussée trop fort. C'est la non-linéarité que le système des chercheurs exploite.

La taille et l'espacement des trous dans l'appareil sont adaptés à une fréquence lumineuse spécifique, la "fréquence de résonance" de l'appareil. Mais l'oscillation non linéaire des électrons du diélectrique devrait décaler cette fréquence.

Ordinairement, ce changement est suffisamment doux pour être négligeable. Mais parce que les pointes acérées de l'appareil des chercheurs concentrent les champs électriques des photons entrants, ils exagèrent également le décalage. Un seul photon pourrait encore traverser l'appareil. Mais si deux photons tentaient d'y entrer, le changement serait si dramatique qu'ils seraient repoussés.

Potentiel pratique

L'appareil peut être configuré de manière à ce que le changement radical de fréquence de résonance ne se produise que si les photons qui tentent d'y entrer ont des propriétés quantiques particulières - des combinaisons spécifiques de polarisation ou de phase, par exemple. L'état quantique d'un photon pourrait ainsi déterminer la manière dont l'autre photon est traité, l'exigence de base pour une porte quantique.

Englund souligne que la nouvelle recherche ne produira pas un ordinateur quantique fonctionnel dans un avenir immédiat. Trop souvent, la lumière entrant dans le prototype est toujours soit diffusée soit absorbée, et les états quantiques des photons peuvent devenir légèrement déformés. Mais d'autres applications pourraient être plus réalisables à court terme. Par exemple, une version de l'appareil pourrait fournir une source fiable de photons uniques, ce qui favoriserait grandement un éventail de recherches en sciences de l'information quantique et en communications.

"Ce travail est assez remarquable et unique car il montre une forte interaction lumière-matière, localisation de la lumière, et un stockage relativement long de photons à une échelle aussi minuscule dans un semi-conducteur, " dit Mohammad Soltani, un chercheur en nanophotonique au sein du groupe de traitement de l'information quantique de Raytheon BBN Technologies. "Cela peut permettre des choses qui étaient discutables auparavant, comme les portes non linéaires à photon unique pour l'information quantique. Il fonctionne à température ambiante, c'est à l'état solide, et il est compatible avec la fabrication de semi-conducteurs. Ce travail est parmi les plus prometteurs à ce jour pour les dispositifs pratiques, tels que les dispositifs d'information quantique.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.