Dans une collaboration entre l'Université d'Aarhus et l'Université du Danemark du Sud, des chercheurs ont découvert un moyen de soustraire un seul quantum de lumière d'un faisceau laser. Ce travail a récemment été publié dans Lettres d'examen physique . La méthode ouvre la voie à de futures communications et calculs quantiques utilisant la mécanique quantique pour des applications technologiques.

La lumière est constituée de petits paquets d'énergie indivisibles, ou particules, connu sous le nom de photons. Une propriété déterminante des photons est qu'ils n'interagissent pas, simplement en passant l'un à travers l'autre sans être affectés. Dans le cadre de la communication quantique, c'est une fonctionnalité très utile, car il permet finalement la transmission à faible perte de données codées optiquement sur de très grandes distances. Cependant, de nombreuses idées émergentes pour le traitement de l'information quantique bénéficieraient grandement de la capacité de faire interagir deux photons de telle manière que l'un affecte la propagation ou l'état d'un autre.

Dans les années récentes, les gaz atomiques ultrafroids se sont avérés être un milieu idéal pour manipuler la lumière. Par exemple, en utilisant une technique connue sous le nom de transparence induite électromagnétiquement, les chercheurs peuvent modifier considérablement la vitesse de propagation de la lumière et ralentir la lumière à des vitesses étonnamment lentes de quelques mètres par seconde.

Peut-être encore plus remarquable, la lumière peut être arrêtée en convertissant les photons en excitations atomiques dans le milieu. En inversant ce processus et en replaçant les excitations sur les photons, cette procédure réalise une mémoire quantique photonique dans laquelle les photons peuvent être temporairement stockés et récupérés à la demande.

Avec l'équipe de l'Université d'Aarhus et des collaborateurs du Joint Quantum Institute de l'Université du Maryland, l'équipe expérimentale d'Odense a mis en place une telle mémoire photonique, mais avec une forme particulière de gaz atomique dans laquelle les atomes constitutifs présentent de fortes interactions.

Cela permet effectivement aux photons de se détecter les uns les autres dans la mémoire quantique, permettant aux chercheurs de manipuler la lumière à un niveau non linéaire. En utilisant cette idée, les groupes ont conçu et démontré une nouvelle façon de soustraire un seul photon d'un faisceau optique en utilisant un autre faisceau de lumière.

L'idée générale est d'abord de stocker un champ optique, puis envoyer un autre à travers le support. Les photons du second faisceau détectent les photons stockés et interagissent avec eux de telle sorte qu'un seul photon soit marqué et ensuite éliminé lors de la récupération. Être privé d'un seul photon, le faisceau lumineux d'origine est laissé dans un état quantique particulier qui a en soi de nombreuses applications scientifiques et technologiques.

En effet, l'idée sous-jacente de manipuler des photons à l'aide d'une telle mémoire quantique non linéaire est prometteuse pour de nombreuses applications en science de l'information quantique. Bien qu'une étude plus approfondie soit nécessaire avant que ces capacités ne deviennent pleinement pratiques, le prototype de soustracteur de photons démontré est une étape importante vers les technologies quantiques basées sur l'interaction des photons.