Optique quantique, où les interactions lumière et matière sont examinées au niveau microscopique, a remporté des prix Nobel - dont trois décernés depuis 2001 - pour certains des plus grands noms de la science. Cependant, même dans ce domaine mature, certaines physiques intéressantes restent largement inexplorées. Une équipe internationale de scientifiques de la Technische Universität Wien (Autriche), Université de Duke, Università degli Studi di Palermo et Istituto Nanoscienze CNR (Italie), et le Brookhaven National Laboratory du département américain de l'Énergie a dévoilé une nouvelle approche pour le piégeage de photons qui peut localiser et stocker un photon, fournir une autre option pour démêler la physique compliquée et manipuler l'état quantique des photons uniques. Leurs travaux ont été récemment publiés dans Lettres d'examen physique .

Yao-Lung (Lion) Fang, un assistant scientifique en informatique avec le Quantum Computing Group de la Computational Science Initiative de Brookhaven et co-auteur de l'article, expliqué qu'une particule occupant un état lié stable est confinée dans l'espace, comme un électron en orbite autour d'un atome d'hydrogène. Cependant, les états liés sont généralement déconnectés du spectre d'énergie continu, c'est-à-dire hors du continuum - du système. Cela fait des états liés dans le continu (BIC) un phénomène physique intéressant mais difficile à étudier. En réalité, Fang a noté que BIC est un sujet de recherche actif dans de nombreux domaines scientifiques et techniques.

Dans certaines configurations de guides d'ondes atomiques (un banc d'essai où un canal optique unidimensionnel est fortement couplé aux atomes), un BIC constitué d'excitations collectives de lumière et de matière peut exister. Armé de cette connaissance, Fang et ses collègues ont déterminé une nouvelle approche pour exciter le BIC, ce que l'on pensait auparavant n'être possible qu'avec l'émission spontanée de photons. Contrairement aux approches conventionnelles qui nécessitent de contrôler la lumière se propageant dans un milieu, leur méthode d'excitation a fourni une nouvelle façon de piéger des photons uniques sans ralentir la lumière.

"Quand Francesco [Ciccarello, co-auteur de l'article] nous a d'abord évoqué cette idée d'exciter le BIC, j'étais un peu sceptique, " dit Fang. " Mais, après nous être assis et l'avoir analysé en profondeur, il s'avère qu'il avait raison. Ça marche vraiment!"

L'équipe a examiné le BIC dans deux bancs d'essai, comprenant un guide d'onde ouvert couplé à une paire d'atomes distants. L'excitation du BIC nécessitait également deux ingrédients importants :un paquet d'ondes multi-photons et un délai substantiel (temps d'aller-retour pour que les photons se propagent entre deux objets distants). Fang et ses collègues ont découvert qu'en concevant correctement les paramètres de retard et d'onde, ils pourraient envoyer deux photons et en piéger un avec une probabilité de plus de 80 %. Avec des paramètres améliorés, ils s'attendent à ce que, en principe, un piégeage parfait est possible. Le résultat fournit un exemple alternatif pour étudier la dynamique quantique dans un système non linéaire. À son tour, cela peut éclairer de vastes domaines de recherche impliquant la physique quantique à N corps, où les systèmes sont composés de nombreuses particules en interaction mécanique quantique.

"Nous devions avoir un délai fini pour maximiser le piège, " dit Fang. " La valeur est que la méthode peut bénéficier aux mémoires quantiques, réseaux, et informatique. Par exemple, les ordinateurs quantiques doivent stocker un photon et le récupérer en cas de besoin. Parce que les photons se déplacent à la vitesse de la lumière et ne peuvent pas s'arrêter, nous devons les ralentir pour qu'ils puissent être stockés. Maintenant, nous avons un nouveau, mécanisme vérifiable pour stocker un photon."

Fang a reconnu que le travail de diffusion de photons de l'équipe diffère également en raison de son influence par la dynamique non markovienne, qui peut être difficile à traiter en raison de la façon dont les états précédents influencent les états suivants dans un système.

"Il y a un intérêt général pour la physique non-markovienne, des systèmes tout optique, y compris les micro-ondes et les lasers, AMO [atomique, moléculaire, et optique] à l'optomécanique, et une signature typique est l'écart par rapport à la décroissance exponentielle pure, " expliqua-t-il. " Il y a de grandes difficultés techniques à étudier les effets à plusieurs corps avec retard. En dynamique non-markovienne avec effets de retard, notre étude présente un système modèle avec une physique similaire qui peut être résolu numériquement pour permettre aux physiciens de déduire et d'examiner ce qui se passe dans ces systèmes."

Finalement, Fang a noté, il y a un fort potentiel pour tirer parti du BIC, comme pour créer une porte d'intrication à deux qubits pour les ordinateurs quantiques ou même envisager une communication longue distance sur des réseaux quantiques.

« En excitant le BIC, un intrication finie peut être créée entre deux nœuds distants dans un réseau quantique, " at-il dit. " Il existe de nombreuses façons dont la méthode pourrait fournir des schémas percutants pour d'autres travaux et dans les domaines scientifiques émergents. "