Les quatre lentilles entourent le résonateur et servent à focaliser les faisceaux laser qui retiennent l'atome dans le résonateur et à observer l'atome. Crédit :Miguel Martinez-Dorantes / Université de Bonn
Supposons que vous ayez été autorisé à bander les yeux de la star du football allemand Timo Werner et à le faire tourner plusieurs fois sur son propre axe. Ensuite, vous lui demandez de tirer à l'aveugle. Il serait extrêmement improbable qu'il atteigne le but.
Les physiciens de Bonn ont néanmoins réussi à obtenir un taux de score de 90 pour cent dans une situation similaire. Cependant, leur joueur était presque 10 milliards de fois plus petit que l'attaquant vedette allemand et beaucoup moins prévisible.
Il s'agissait d'un atome de rubidium que les chercheurs avaient irradié avec une lumière laser. L'atome a absorbé de l'énergie de rayonnement et est entré dans un état excité. Celui-ci a une durée de vie définie. L'atome libère ensuite l'énergie absorbée en émettant une particule de lumière :un photon.
La direction dans laquelle vole ce photon est purement fortuite. Cependant, cela change lorsque le rubidium est placé entre deux miroirs parallèles, car alors l'atome préfère tirer sur l'un des miroirs. Dans l'exemple de Timo Werner, ce serait comme si le but attirait magiquement le ballon.
Ce phénomène est appelé effet Purcell. Son existence a été découverte il y a plusieurs décennies. "Nous avons maintenant utilisé l'effet Purcell pour l'émission ciblée de photons par un atome neutre, " explique le Dr Wolfgang Alt de l'Institut de physique appliquée de l'Université de Bonn.
La photo montre les deux fibres de verre (en haut au centre). Leurs extrémités sont revêtues de manière réfléchissante de sorte qu'elles forment un soi-disant résonateur. L'atome de rubidium est inséré entre eux. Après excitation, il rayonne alors les photons principalement en direction des miroirs (et donc des fibres de verre). Les miroirs ont un diamètre de seulement 0,1 mm. Crédit :Jose Gallego / Université de Bonn
L'effet Purcell suscite un grand intérêt, en partie parce qu'il rend possible la construction de ce qu'on appelle des répéteurs quantiques. Ceux-ci sont nécessaires pour transmettre des informations quantiques sur de longues distances. Alors qu'il est possible de mettre un photon dans un certain état quantique et de l'envoyer à travers un guide de lumière, cela ne peut se faire que sur des distances limitées; pour de plus grandes distances, le signal doit être mis en mémoire tampon.
Les répéteurs transmettent des informations quantiques
Dans le répéteur quantique, le photon est guidé vers un atome qui l'avale et passe ainsi dans un autre état. En réponse à une impulsion de lecture avec un faisceau laser, l'atome recrache la particule lumineuse. Les informations quantiques stockées sont conservées.
Le photon émis doit maintenant être collecté et réinjecté dans un guide de lumière. Mais c'est difficile lorsque le photon est libéré dans une direction aléatoire. "Nous avons réussi à forcer les photons sur le chemin entre les deux miroirs grâce à l'effet Purcell, " explique Alt. " Nous avons maintenant rendu l'un des miroirs partiellement transmissif et lui avons connecté une fibre de verre. Cela nous a permis d'introduire le photon de manière relativement efficace dans cette fibre."
L'effet Purcell a également un autre avantage :il raccourcit le temps nécessaire à l'atome de rubidium pour stocker et libérer l'information quantique. Ce gain de vitesse est extrêmement important. Ce n'est que si le répéteur fonctionne assez vite qu'il peut communiquer avec l'émetteur de l'information, un soi-disant point quantique. Aujourd'hui, les points quantiques sont considérés comme la meilleure source de photons uniques pour la transmission d'informations quantiques, qui est complètement à l'abri d'être intercepté. "Nos expériences vont encore plus loin avec cette importante technologie future, " dit Alt.
