Les bons voisins partagent souvent les ressources :une tasse de sucre, chaises de jardin supplémentaires, un ensemble de câbles de démarrage. Les chercheurs de tout le campus de l'Université de l'Arizona pourront bientôt partager une ressource moins courante - et bien plus précieuse - pour les aider à approfondir leurs recherches :des photons intriqués, ou des paires interconnectées de particules légères.

Avec un financement d'environ 1,4 million de dollars - 999 $, 999 de la National Science Foundation et environ 400 $, 000 de l'UA - le professeur Zheshen Zhang dirige la construction de l'instrument interdisciplinaire de recherche et d'ingénierie de l'information quantique, connu sous le nom d'enquête, à l'UA. Inquire est le premier instrument de recherche et de formation partagé au monde pour aider les chercheurs dans divers domaines, y compris ceux qui n'ont aucune expertise en science de l'information quantique, à bénéficier des ressources quantiques.

Zhang est professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux et de sciences optiques, et le chef du Quantum Information and Materials Group à l'UA. Les co-investigateurs du projet Inquire incluent Ivan Djordjevic, professeur de génie électrique et informatique et de sciences optiques; Jennifer Barton, directeur de l'Institut BIO5 et professeur de génie biomédical, ingénierie des biosystèmes, génie électrique et informatique, et sciences optiques; Nasser Peyghambarian, professeur de sciences optiques; et Marek Romanowski, professeur agrégé de génie biomédical, et la science et l'ingénierie des matériaux.

Un réseau de câbles à fibres optiques reliera un centre d'information quantique automatisé au sous-sol du bâtiment de génie électrique et informatique à quatre autres bâtiments du campus :les laboratoires de recherche en biosciences, Mines et métallurgie, Physique et sciences de l'atmosphère, et Meinel Optical Sciences.

"L'une des joies de l'UA est de collaborer avec les meilleurs universitaires travaillant dans des domaines de pointe, " dit Barton. " On dirait de la science-fiction, mais Zheshen construit une installation qui créera des photons intriqués quantiques, puis les livrer via la fibre optique à mi-chemin à travers le campus, directement dans la ressource de bioimagerie translationnelle dans le bâtiment des laboratoires de recherche en biosciences."

"C'est un projet passionnant qui représente parfaitement certains des thèmes clés qui sous-tendent notre plan stratégique, " a déclaré le président de l'UA, Robert C. Robbins. " Pour être un leader de la quatrième révolution industrielle, nous devons tirer parti de la collaboration, gardez une longueur d'avance sur la technologie et fournissez un environnement puissant dans lequel les chercheurs disposent des outils dont ils ont besoin pour résoudre les grands défis du monde. J'ai hâte de voir les nouvelles opportunités que cette installation apportera une fois qu'elle sera terminée."

La construction du projet a déjà commencé. La date d'achèvement prévue est septembre 2021.

Voir des photons individuels

Tout comme un atome est la plus petite unité de matière, un photon est la plus petite unité de lumière. Donc, alors que nous pouvons voir la lumière de dizaines de milliards de photons dans une pièce éclairée par une lampe ou une cour éclairée par le soleil, l'œil humain et la plupart des microscopes ne peuvent pas voir les photons individuels. Mais parfois, ces informations trop petites pour être vues peuvent être importantes. Par exemple, un laboratoire d'ingénierie biomédicale fait peut-être une étude d'imagerie sur une protéine ou une molécule organique qui émet un signal trop faible pour que les caméras traditionnelles puissent le voir.

"Vous pouvez envoyer vos photons à l'installation centrale, qui est équipé d'un ensemble de caméras ultrasensibles qui peuvent voir les choses au niveau du photon unique, " dit Zhang.

Traditionnellement, les chercheurs ont utilisé des lasers à haute puissance pour éclairer ces échantillons biologiques, qui ont parfois été endommagés au cours du processus. L'utilisation de photons intriqués comme source d'éclairage offre une sensibilité plus élevée, moins de puissance éclairante, et la même résolution, voire supérieure.

"Deux photons intriqués peuvent valoir un million de leurs frères classiques, nous permettant potentiellement d'obtenir une image plus profonde sans endommager les tissus, " dit Barton.

Sondage de haute précision

Ces câbles à fibres optiques sont une rue à double sens. Les chercheurs peuvent envoyer leurs photons dans le hub central pour être imagés par les microscopes de haute technologie, mais le centre peut également partager des photons intriqués avec des laboratoires à travers le campus.

Les photons intriqués sont des paires interconnectées. Même lorsqu'ils sont séparés par de grandes distances, tout ce qui arrive à un photon dans une paire intriquée sera également transféré à l'autre.

Cette relation a plusieurs usages. Par exemple, les chercheurs peuvent utiliser des photons comme sondes pour aider à déterminer la nature de matériaux non identifiés. Les changements qu'un matériau introduit dans un photon, comme un changement de couleur, fournir des indices sur l'identité du matériau. Lorsqu'un photon intriqué dans une paire est utilisé comme sonde, le matériau introduit des changements dans les deux photons de la paire intriquée.

"Maintenant, vous pouvez effectuer une mesure sur les deux photons pour en savoir plus sur l'échantillon à sonder, " a déclaré Zhang. " Vous pouvez avoir deux fois plus d'informations sur la façon dont le matériau affecte le photon. "

Communications sécurisées

Les photons intriqués peuvent également être utilisés dans la communication quantique, une méthode sécurisée d'envoi et de réception de données conçue pour empêcher l'écoute clandestine. Cela fonctionne comme ceci :avant que la partie A ne partage des informations sensibles avec la partie B, La partie A envoie une "clé quantique, " une série de photons intriqués qui sert de code pour déchiffrer les futures transmissions. Les clés quantiques sont conçues pour que l'acte même de déchiffrer ou de lire leur contenu modifie leur contenu.

Si la clé quantique arrive avec des parties déchiffrées, les parties communicantes savent ne pas utiliser cette partie de la clé pour chiffrer les transmissions futures, car il a été "lu" par des pirates. Les parties communicantes peuvent simplement découper cette partie de la clé et utiliser un nouveau, clé quantique plus courte dont ils savent qu'elle est sécurisée.

Les parties A et B dans l'exemple ci-dessus n'ont pas besoin d'être des scientifiques de l'information quantique. Les chercheurs de toutes sortes de disciplines peuvent bénéficier des caractéristiques uniques des photons intriqués, et l'objectif d'Inquire est de permettre exactement cela.

"Il s'agit d'un domaine clé que la National Science Foundation identifie comme l'une de ses 10 grandes idées et veut vraiment faire avancer parce qu'il est tellement interdisciplinaire, " a déclaré Zhang. " Cela implique des chercheurs au-delà des frontières de la science, ingénierie, l'informatique, la physique, chimie, math, optique - partout. La question clé est "Comment tout le monde peut-il parler la même langue, et comment peuvent-ils bénéficier des progrès réalisés dans d'autres domaines ?'"