Dans la chambre entourée de cuivre au centre de cette configuration au Center for Quantum Technologies à Singapour, les photons rebondissent sur un seul atome. Le contrôle de telles interactions est important pour l'informatique quantique et la métrologie. Crédit :Center for Quantum Technologies, université nationale de Singapour
Il n'est pas facile de faire rebondir une seule particule de lumière sur un seul atome de moins d'un milliardième de mètre de large. Cependant, des chercheurs du Center for Quantum Technologies de l'Université nationale de Singapour ont montré qu'ils pouvaient doubler les chances de succès, une innovation qui pourrait être utile en informatique quantique et en métrologie. Les résultats ont été publiés le 31 octobre dans Communication Nature .
Dans leur expérience, chercheurs Chin Yue Sum, Matthias Steiner et Christian Kurtsiefer ont tiré un laser rouge sur un atome de rubidium soigneusement piégé. Ils ont comparé la quantité de lumière dispersée lorsque la lumière provient d'une seule direction, contre quand il s'agit de deux.
"Si un atome envoie un photon, le photon peut aller dans n'importe quelle direction. Notre idée est que pour obtenir des interactions plus fortes entre les photons uniques et les atomes uniques, nous voulons inverser tout ce que fait l'atome. Donc ici l'éclairage vient de toutes les directions, " explique Steiner.
D'abord, ils ont focalisé le laser rouge à travers une lentille fortement focalisée placée devant l'atome. L'atome a été manœuvré pour se trouver au foyer de la lentille. Dans cette configuration, environ 1 sur 5 des photons laser ont rebondi sur l'atome.
Prochain, l'équipe a divisé le faisceau laser, l'envoi d'un demi-tour à l'avant et d'un demi-tour à l'arrière de l'atome. À l'arrière, le laser a de nouveau traversé une lentille fortement focalisée pour atteindre l'atome.
Cette configuration à double lentille est connue sous le nom de microscopie 4Pi. C'est une technique d'imagerie à super-résolution inventée par le lauréat du prix Nobel Stefan Hell. Le nom vient de la façon dont les angles sont décrits en trois dimensions :quatre décrit une sphère pleine.
Une technique d'imagerie appelée microscopie 4Pi augmente la résolution en prenant en sandwich l'échantillon entre deux lentilles fortement focalisées. Des chercheurs quantiques ont montré que l'emprunt de cette astuce de l'objectif peut stimuler les interactions entre les photons et un seul atome. Crédit :Ale Cere / Center for Quantum Technologies, université nationale de Singapour
Avec la lumière venant des deux côtés, l'atome s'est dispersé autour de 2 photons sur 5 - le double de ce qui a été vu avec une seule lentille.
L'atome n'a pas seulement changé la direction des photons, mais aussi leur espacement. En lumière laser, les photons sont espacés de manière aléatoire, avec certains arrivant rapprochés et d'autres séparés par de grands écarts. L'équipe a détecté que, après avoir passé l'atome, les photons étaient moins susceptibles d'arriver ensemble. C'est la preuve d'une interaction entre les atomes et les photons qui est « non linéaire ».
"Il y a beaucoup de physique à étudier dans les interactions non linéaires avec les photons, " dit Chin. L'effet est crucial pour le traitement des informations stockées dans la lumière, par exemple en informatique quantique optique.
