Pour traiter les informations, les photons doivent interagir. Cependant, ces petits paquets de lumière ne veulent rien avoir à faire les uns avec les autres, chacun passant sans altérer l'autre. Maintenant, des chercheurs du Stevens Institute of Technology ont incité les photons à interagir les uns avec les autres avec une efficacité sans précédent - une avancée clé vers la réalisation des technologies d'optique quantique tant attendues pour l'informatique, communication et télédétection.

L'équipe, dirigé par Yuping Huang, professeur agrégé de physique et directeur du Center for Quantum Science and Engineering, nous rapproche de cet objectif avec une puce à l'échelle nanométrique qui facilite les interactions photoniques avec une efficacité beaucoup plus élevée que n'importe quel système précédent. La nouvelle méthode, rapporté comme un mémorandum dans le numéro du 18 septembre de Optique , fonctionne à des niveaux d'énergie très bas, suggérant qu'il pourrait être optimisé pour fonctionner au niveau des photons individuels - le Saint Graal pour l'informatique quantique à température ambiante et la communication quantique sécurisée.

"Nous repoussons les limites de la physique et de l'ingénierie optique afin de rapprocher le traitement du signal quantique et tout optique de la réalité, " dit Huang.

Pour réaliser cette avance, L'équipe de Huang a tiré un faisceau laser dans une microcavité en forme de piste de course sculptée dans un éclat de cristal. Alors que la lumière laser rebondit sur la piste de course, ses photons confinés interagissent entre eux, produisant une résonance harmonique qui fait qu'une partie de la lumière circulante change de longueur d'onde.

Ce n'est pas une astuce entièrement nouvelle, mais Huang et ses collègues, dont l'étudiant diplômé Jiayang Chen et le chercheur scientifique principal Yong Meng Sua, a considérablement augmenté son efficacité en utilisant une puce en niobate de lithium sur isolant, un matériau qui a une façon unique d'interagir avec la lumière. Contrairement au silicium, le niobate de lithium est difficile à graver chimiquement avec des gaz réactifs courants. Donc, l'équipe de Stevens a utilisé un outil de fraisage ionique, essentiellement un nanosableur, pour graver un petit circuit d'environ un centième de la largeur d'un cheveu humain.

Avant de définir la structure de l'hippodrome, l'équipe avait besoin d'appliquer des impulsions électriques à haute tension pour créer des zones de polarité alternative soigneusement calibrées, ou poling périodique, qui adaptent la façon dont les photons se déplacent sur le circuit, augmentant leur probabilité d'interagir les uns avec les autres.

Chen a expliqué que pour graver la piste de course sur la puce et adapter la façon dont les photons se déplacent autour, nécessite des dizaines d'étapes délicates de nanofabrication, chacun nécessitant une précision nanométrique. "Au meilleur de nos connaissances, nous sommes parmi les premiers groupes à maîtriser toutes ces étapes de nanofabrication pour construire ce système - c'est la raison pour laquelle nous avons pu obtenir ce résultat en premier. »

Avancer, Huang et son équipe visent à renforcer la capacité de l'hippodrome de cristal à confiner et à faire recirculer la lumière, connu comme son facteur Q. L'équipe a déjà identifié des moyens d'augmenter son facteur Q d'un facteur d'au moins 10, mais chaque niveau supérieur rend le système plus sensible aux fluctuations de température imperceptibles - quelques milliers de degrés - et nécessite un réglage minutieux.

Toujours, l'équipe Stevens dit qu'elle se rapproche d'un système capable de générer des interactions au niveau d'un seul photon de manière fiable, une percée qui permettrait la création de nombreux composants informatiques quantiques puissants tels que des portes logiques photoniques et des sources d'intrication, qui le long d'un circuit, peut solliciter plusieurs solutions au même problème simultanément, on peut concevoir que des calculs qui pourraient prendre des années soient résolus en quelques secondes.

Nous pourrions encore être un moment à partir de ce point, Chen a dit, mais pour les scientifiques quantiques, le voyage sera passionnant. "C'est le Saint Graal, " dit Chen, l'auteur principal du journal. "Et sur le chemin du Saint Graal, nous réalisons beaucoup de physique que personne n'a fait avant."