Le cristal non linéaire, situé sous la bande blanche à gauche du centre, convertit une combinaison de lumière 1550 nm et de lumière 920 nm (invisible) en une fréquence de sortie unique de 577 nm, un jaune vif, tout en ajoutant presque pas de bruit. Crédit : Institut national des normes et de la technologie
Les scientifiques du NIST ont atteint un record mondial en détectant l'intensité d'une source de lumière ultra-faible, égalant les capacités des instruments de l'espace lointain sur le télescope spatial Hubble mais fonctionnant 100 fois plus vite et avec une précision équivalente.
Ils l'ont fait au cours du développement d'un "bus quantique universel" - un nouveau système permettant des connexions photoniques entre des composants disparates d'un ordinateur quantique, chacun d'eux peut fonctionner à une gamme très différente et étroite de fréquence photonique. Le nouveau schéma de conversion de signal "fournit un lien quantique entre différents systèmes matériels fonctionnant à différentes fréquences, " dit Ivan Bourenkov, premier auteur d'un nouveau rapport d'une équipe du laboratoire de mesures physiques du NIST récemment publié dans Optique Express .
Les ordinateurs conventionnels gèrent les données de multiples façons dans divers matériaux :ils traitent l'information sous forme de charges électriques dans des puces de silicium (de minuscules transistors dans des circuits intégrés), le stocker sous forme magnétique sur des disques durs, et le transférer sous forme de photons sur des lignes à fibre optique. De la même manière, les circuits quantiques peuvent avoir à transférer des informations via des photons entre des points quantiques, ensembles d'atomes, ions piégés, ou d'autres systèmes de matériaux.
Le problème est que chacun de ces composants répond à des fréquences de lumière très différentes. Un signal produit par un composant, comme un point quantique, peut devoir être transféré à un ion piégé qui n'est sensible qu'aux photons à une fréquence beaucoup plus élevée que le signal de point d'origine. Combler cet écart nécessite un convertisseur de fréquence capable de préserver les états quantiques fragiles des photons du signal sans ajouter de bruit.
En poursuivant cet objectif, les chercheurs ont utilisé une technique optique appelée « conversion ascendante » dans laquelle un photon de relativement faible énergie – le signal d'entrée – est combiné à un faisceau lumineux de « pompe », puis acheminé à travers un cristal « non linéaire » spécial. En passant à travers le cristal, les énergies de l'entrée et de la pompe sont réunies, produisant un seul photon de sortie d'une fréquence plus élevée et donc d'une énergie plus élevée. (C'est le "haut" de la conversion ascendante.)
Une difficulté persistante avec la technique est que le faisceau de pompage peut contenir tellement de puissance que lorsqu'il frappe le cristal, il génère une grande quantité de "bruit" sous la forme de photons indésirables qui peuvent submerger les états quantiques délicats.
"Nous avons résolu ce problème lorsque nous avons constaté que la séparation entre la fréquence de la pompe et la fréquence du signal devait être assez grande afin d'obtenir un convertisseur ascendant relativement silencieux, " dit Burenkov.
L'équipe du projet a utilisé un faisceau de pompage continu, lumière haute puissance à une longueur d'onde télécom standard de 1550 nanomètres (nm, milliardièmes de mètre), et l'a fusionné avec des photons d'entrée à une longueur d'onde proche infrarouge de 920 nm. Le photon de sortie converti à la hausse était un jaune visible avec une longueur d'onde de 577 nm. La large séparation entre ces longueurs d'onde réduisait considérablement l'émission de fond.
L'identification des formes d'onde caractéristiques du bruit de fond de conversion ascendante (à gauche) et des comptes d'obscurité (à droite) permet un type de système de filtrage de signal capable de réduire les erreurs par ordre de grandeur. Les courbes rouges sont des formes d'onde de détecteur qui sont filtrées; les courbes bleues sont acceptées. Crédit : Institut national des normes et de la technologie
Mais cela laissait encore la redoutable difficulté de détecter et de mesurer le reste, extrêmement petit, Contexte. Les chercheurs ont découvert que leur convertisseur ascendant produit des photons de fond à un taux d'environ 100 par heure. Cela correspond en échelle à la faible lumière provenant des objets astronomiques lointains les plus faibles.
La capture et la caractérisation d'une telle lumière faible nécessitent un détecteur de photons extrêmement sensible. L'équipe a utilisé un appareil, développé à Boulder du NIST, Colo., Campus, appelé capteur de bord de transition (TES). Il fonctionne à 0,1 kelvin au-dessus du zéro absolu, et contient une fine couche de matériau supraconducteur à travers laquelle circule un faible courant. Quand un photon frappe le brin, il fait monter brièvement la température, provoquant une pointe de résistance électrique et une chute correspondante de courant qui est enregistrée sous forme d'onde. Différentes longueurs d'onde produisent des formes d'onde sensiblement différentes, et cette différence peut être utilisée pour distinguer le bruit. Les scientifiques du NIST ont pu calibrer le TES en déterminant quelles formes d'onde étaient associées à différentes longueurs d'onde de photons de fond.
Même que, cependant, n'était pas suffisant pour caractériser complètement le bruit de fond car les détecteurs TES, comme toutes les conceptions de capteurs à photon unique, sont soumis à une source d'erreur persistante appelée "compte sombre" - un signal qui est enregistré lorsqu'aucun photon n'est réellement présent, en raison d'effets thermiques ou autres aléatoires dans le détecteur.
La conception du convertisseur de l'équipe permet au détecteur de fonctionner de manière à réduire considérablement le taux de comptage de l'obscurité. Parce que la haute énergie, les photons de sortie convertis à la hausse s'enregistrent sous forme de pics plus importants dans le détecteur que la plupart des comptes sombres de faible énergie, il est possible de régler le système de détection pour qu'il filtre tous les signaux qui tombent en dessous d'un certain seuil d'énergie. De cette façon, de nombreux signaux parasites sont rejetés avant d'être comptés. Mais il restait à trouver un moyen de distinguer les comptes sombres restants des photons d'arrière-plan.
Pour y parvenir, les scientifiques en ont enregistré 10, 000 formes d'onde à partir de photons upconvertis, ainsi que les formes d'onde du bruit de fond seul et les formes d'onde du nombre d'obscurité seul. Ils ont constaté que les photons d'arrière-plan et les comptes d'obscurité avaient des formes d'onde distinctement différentes en amplitude et en forme des photons de sortie convertis, et ajusté le système de détection pour rejeter les deux.
Le résultat a été une diminution de mille fois du taux de comptage de noir, ce qui a permis à l'équipe d'effectuer des mesures en faible lumière avec une précision absolue record en une fraction du temps auparavant requis.
« Sur le télescope spatial Hubble, ils collectent des données sur des objets de l'espace lointain extrêmement faibles pendant quelques mois, " explique le co-auteur Sergey Polyakov. " Nous collectons des données comparables pendant moins de 24 heures, mais avec une précision égale ou même meilleure."
Le schéma de conversion ascendante peut être utilisé pour différentes longueurs d'onde avec des modifications appropriées. Finalement, Bourenkov dit, il pourrait devenir un bus quantique universel.
