Les particules peuvent parfois agir comme des ondes, et les photons (particules de lumière) ne font pas exception. Tout comme les vagues créent un motif d'interférence, comme des ondulations sur un étang, les photons aussi. Les physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont réalisé un nouvel exploit majeur :créer une étrange interférence « quantique » entre deux photons de couleurs nettement différentes, provenant de différents bâtiments sur le campus de l'Université du Maryland.

L'expérience est une étape importante pour les futures communications quantiques et l'informatique quantique, qui pourrait potentiellement faire des choses que les ordinateurs classiques ne peuvent pas, tels que briser des codes de cryptage puissants et simuler le comportement de nouveaux médicaments complexes dans le corps. L'interférence entre deux photons pourrait connecter des processeurs quantiques distants, permettant un réseau informatique quantique de type Internet.

L'utilisation de photons qui avaient à l'origine différentes couleurs (longueurs d'onde) est importante car elle imite la façon dont un ordinateur quantique fonctionnerait. Par exemple, les photons de la lumière visible peuvent interagir avec les atomes piégés, des ions ou d'autres systèmes qui servent de versions quantiques de la mémoire informatique, tandis que les photons de longueur d'onde plus longue (proche infrarouge) sont capables de se propager sur de longues distances à travers des fibres optiques.

Tout comme les ordinateurs classiques avaient besoin de moyens de transmission fiables, stocker et traiter les électrons avant complexe, l'informatique en réseau était possible, le résultat du NIST rapproche l'échange d'informations en informatique quantique de la réalité.

Dans leur étude, une collaboration entre le NIST et l'Army Research Laboratory, les physiciens et les ingénieurs des bâtiments adjacents de l'Université du Maryland ont créé deux sources différentes et distinctes de photons individuels. Dans un bâtiment, un groupe d'atomes de rubidium a été amené à émettre des photons uniques d'une longueur d'onde de 780 nanomètres, à l'extrémité rouge du spectre de la lumière visible. Dans l'autre bâtiment, à 150 mètres, un ion piégé de baryum a été induit à émettre des photons d'une longueur d'onde de 493 nanomètres, soit près de 40 % plus courte, vers l'extrémité bleue du spectre.

Ensuite, les chercheurs ont dû faire des photons bleus des sonneries mortes pour les rouges. Pour faire ça, Alexandre Craddock, Trey Porto et Steven Rolston du Joint Quantum Institute, un partenariat entre le NIST et l'Université du Maryland, et leurs collègues ont mélangé les photons bleus avec la lumière infrarouge dans un cristal spécial. Le cristal a utilisé la lumière infrarouge pour convertir les photons bleus en une longueur d'onde correspondant aux rouges dans l'autre bâtiment tout en préservant leurs propriétés d'origine. Ce n'est qu'à ce moment-là que l'équipe a envoyé les photons à travers une fibre optique de 150 mètres pour rencontrer les photons rouges presque identiques dans l'autre bâtiment.

Les photons étaient si similaires qu'il n'était pas possible de les distinguer dans le montage expérimental. Les photons individuels agissent généralement indépendamment les uns des autres. Mais en raison de la nature quantique particulière de la lumière, lorsque deux photons indiscernables interfèrent l'un avec l'autre, leurs chemins peuvent devenir corrélés, ou dépendantes les unes des autres. Une telle corrélation quantique peut être utilisée comme un outil informatique puissant.

Assez sur, les chercheurs ont observé cette corrélation lorsque des paires de photons produits séparément se sont croisées. Les paires de photons ont traversé un composant optique appelé séparateur de faisceau, qui pourrait les envoyer dans l'un des deux chemins. Agissant seul, chaque photon ferait sa propre chose et aurait 50-50 chances de passer par l'un ou l'autre chemin. Mais les deux photons indiscernables se sont superposés comme des vagues. En raison de leur étrange interférence quantique, ils sont restés ensemble et ont toujours suivi le même chemin. Rejoindre ces photons autrefois indépendants à la hanche, cet effet d'interférence peut potentiellement effectuer de nombreuses tâches utiles dans le traitement de l'information quantique.

Les chercheurs ont rapporté leurs découvertes en ligne dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

Un lien direct avec l'informatique quantique viendrait si le motif d'interférence est lié à une autre propriété bizarre de la mécanique quantique connue sous le nom d'intrication. Ce phénomène se produit lorsque deux ou plusieurs photons ou autres particules sont préparés de telle manière qu'une mesure d'une propriété particulière, par exemple, quantité de mouvement - de l'un détermine automatiquement la même propriété de l'autre, même si les particules sont éloignées les unes des autres. L'intrication est au cœur de nombreux schémas d'information quantique, y compris l'informatique quantique et le cryptage.

Dans l'expérience de l'équipe, les deux photons n'étaient pas intriqués avec les systèmes qui les ont générés. Mais dans les études futures, dit Porto, il devrait être relativement facile d'entremêler les photons rouges avec le groupe d'atomes de rubidium qui les a produits. De la même manière, les photons bleus pourraient être intriqués avec l'ion piégé qui les a produits. Lorsque les deux photons interfèrent, cette connexion transférerait l'enchevêtrement entre les atomes de photon rouge-rubidium et le photon-ion bleu pour devenir un enchevêtrement entre les atomes de rubidium et l'ion piégé.

C'est ce transfert d'intrication - ce transfert d'informations - qui sous-tend la puissance potentiellement immense des ordinateurs quantiques, Porto a noté.