Les physiciens quantiques peuvent désormais distiller une sorte de schnaps de photons. Quand les spiritueux sont distillés, la teneur en alcool augmente par rapport à la teneur en eau. Une méthode similaire développée par une équipe de l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching fonctionne sur les quanta de lumière – les photons. Il extrait des photons individuels d'une source lumineuse, repousse le composant de vide indésirable, et rapporte cet événement. De tels photons uniques sont des bits quantiques importants pour la technologie de l'information quantique actuellement émergente.

Cela rappelle en effet le principe de la distillation de l'alcool - même si l'appareil installé dans un laboratoire de l'Institut Max Planck d'optique quantique est complètement différent de celui utilisé pour la distillation du schnaps. L'expérience de Garching augmente la proportion de photons individuels par rapport au vide. Cette motivation peut paraître étrange au grand public. Cependant, elle mène directement au monde étrange de la physique quantique. En fin de compte, les sources de lumière faibles qui peuvent fournir exactement un photon jouent un rôle central dans la technologie de l'information quantique. En tant que bit quantique, un photon peut transporter l'information quantique élémentaire nécessaire aux réseaux quantiques, cryptage quantique, et les ordinateurs quantiques – tout comme la technologie numérique actuelle traite des bits individuels comme supports d'information.

La construction de sources de photons uniques est un défi qui fait l'objet de recherches dans le monde entier depuis de nombreuses années. Cela semble étonnant car il suffit d'une simple pression sur un interrupteur pour éclairer une pièce. Cependant, la lumière d'une lampe correspond à un courant d'un nombre énorme de photons. Si vous atténuez une source lumineuse à un point tel que seuls des photons isolés peuvent s'en échapper, vous êtes confronté à la nature de lancer de dés du monde quantique; parfois rien ne vient, et puis deux ou trois photons arrivent et ainsi de suite. C'est un peu comme l'égouttement d'un alambic. Vous ne pouvez pas prédire avec précision quand la goutte arrivera ou quelle sera sa taille.

Aucun vide ne peut être ajouté à un photon proprement préparé

Les physiciens du département de Gerhard Rempes à l'Institut Max Planck d'optique quantique n'avaient pas l'intention de développer une autre source lumineuse à photon unique. Au lieu, leur expérience peut extraire des photons individuels de la lumière de n'importe quelle source lumineuse très faible - comme un alambic - et rapporter de manière fiable cet événement. À proprement parler, il réduit la fraction de vide pur par rapport au cas d'obtention d'un photon. C'est ce que vous apprend Severin Daiß, doctorant à l'Institut et premier auteur de la publication. L'une des particularités du monde quantique est que le vide lui-même représente un état quantique. Si vous voulez préparer proprement un photon, aucun vide ne doit être ajouté.

Deux défis se rejoignent dans les nouveaux travaux de recherche de l'équipe de Rempes. Le premier défi est d'obtenir exactement un photon. La seconde est de le détecter de manière fiable. Un seul atome de rubidium résout les deux tâches en une seule étape. Cet atome est dans une sorte d'armoire à glace. Plus précisément, il est coincé entre deux miroirs presque parfaits se faisant face. La distance des miroirs dans ce « résonateur » correspond précisément à un multiple d'une demi-longueur d'onde de lumière dans laquelle l'atome pourrait rayonner ou absorber son propre photon. Dans ce système, l'atome peut être replié entre deux positions d'affichage à la manière d'un pointeur ; cela joue ici un rôle important.

Plusieurs photons en succession augmentent la pureté de la lumière

"Nous pouvons utiliser ce système de l'atome dans le résonateur comme alambic pour le photon", dit Séverin Daiß. Le groupe basé à Garching dirige une lumière laser extrêmement faible – à partir de laquelle ils souhaitent obtenir un seul photon – sur la cavité. Là, il fait quelque chose qui ne fonctionne que dans le monde quantique :il s'entremêle avec l'arrangement atome-résonateur, formant ainsi un état quantique commun. Cet état intriqué rend le système immobile :Avec une mesure sur l'atome, les physiciens peuvent extraire un nombre pair ou impair de photons de la lumière incidente.

Cependant, cela ne fonctionne pas comme un interrupteur; la nature de lancer de dés du monde quantique empêche un photon de passer à la simple pression d'un bouton. "Ce qui est décisif ici, c'est que nous pouvons maintenant utiliser l'atome comme pointeur pour signaler une distillation à photon unique réussie", explique Daiß. Les physiciens laissent l'arrangement rouler des photons mais affichent le nombre de dés de manière fiable.

En conjonction avec une lumière ultra-faible, le mode "nombre de photons impairs" peut désormais produire des événements avec un photon car plus de photons sont rarement disponibles. La distillation a réussi avec une "pureté" de 66 pour cent, ce qui signifie que la teneur en vide a été réduite à un tiers. Par rapport aux sources lumineuses à photon unique, c'est un bon résultat pour un premier essai. Cette pureté peut être considérablement augmentée avec de meilleures cavités optiques. Les éléments de distillation de photons peuvent être connectés en série afin d'augmenter encore la pureté du photon qui les traverse. La qualité de la lumière provenant d'autres sources de photons uniques peut également être améliorée. C'est comme faire 60 pour cent (ou plus) de vodka à partir de 40 pour cent de vodka.