Les physiciens du MIT ont conçu un « presseur de lumière » quantique qui réduit de 15 % le bruit quantique dans un faisceau laser entrant. C'est le premier système du genre à fonctionner à température ambiante, ce qui le rend compatible avec un compact, configuration portable qui peut être ajoutée aux expériences de haute précision pour améliorer les mesures laser où le bruit quantique est un facteur limitant.

Le cœur du nouveau presse-agrumes est une cavité optique de la taille d'un marbre, logé dans une chambre à vide et contenant deux miroirs, dont l'un est plus petit que le diamètre d'un cheveu humain. Le plus grand miroir est immobile tandis que l'autre est mobile, suspendu par un porte-à-faux en forme de ressort.

La forme et la constitution de ce deuxième miroir « nanomécanique » sont la clé de la capacité du système à fonctionner à température ambiante. Lorsqu'un faisceau laser pénètre dans la cavité, il rebondit entre les deux miroirs. La force transmise par la lumière fait osciller le miroir nanomécanique d'une manière qui permet aux chercheurs de concevoir la lumière sortant de la cavité pour avoir des propriétés quantiques spéciales.

La lumière laser peut sortir du système dans un état comprimé, qui peut être utilisé pour faire des mesures plus précises, par exemple, en calcul quantique et en cryptologie, et dans la détection des ondes gravitationnelles.

"L'importance du résultat est que vous pouvez concevoir ces systèmes mécaniques de sorte qu'à température ambiante, ils peuvent encore avoir des propriétés de mécanique quantique, " dit Nergis Mavalvala, le professeur de marbre et directeur associé de la physique au MIT. "Cela change complètement la donne pour ce qui est de pouvoir utiliser ces systèmes, pas seulement dans nos propres laboratoires, logés dans de grands réfrigérateurs cryogéniques, mais dans le monde."

L'équipe a publié ses résultats dans la revue Physique de la nature . L'auteur principal de l'article est Nancy Aggarwal, un ancien étudiant diplômé en physique du laboratoire MIT LIGO, maintenant un post-doctorant à l'Université Northwestern. Les autres co-auteurs de l'article avec Mavalvala sont Robert Lanza et Adam Libson du MIT; Torrey Cullen, Jonathan Cripé, et Thomas Corbitt de la Louisiana State University; et Garrett Cole, David Follman, et Paula Heu de Crystalline Mirror Solutions à Santa Barbara, Californie.

Un froid "showstopper"

Un laser contient une multitude de photons qui s'écoulent en ondes synchronisées pour produire un faisceau de lumière focalisé. Dans cette configuration ordonnée, cependant, il y a un peu d'aléatoire parmi les photons individuels d'un laser, sous forme de fluctuations quantiques, également connu en physique sous le nom de « bruit de tir ».

Par exemple, le nombre de photons dans un laser qui arrivent à un détecteur à un instant donné peut fluctuer autour d'un nombre moyen, d'une manière quantique difficilement prévisible. De même, l'heure à laquelle un photon arrive sur un détecteur, lié à sa phase, peut également fluctuer autour d'une valeur moyenne.

Ces deux valeurs (le nombre et la synchronisation des photons d'un laser) déterminent avec quelle précision les chercheurs peuvent interpréter les mesures laser. Mais selon le principe d'incertitude de Heisenberg, l'un des principes fondamentaux de la mécanique quantique, il est impossible de mesurer simultanément la position (ou la synchronisation) et la quantité de mouvement (ou le nombre) de particules en même temps avec une certitude absolue.

Les scientifiques contournent cette contrainte physique par le biais de la compression quantique, l'idée que l'incertitude des propriétés quantiques d'un laser, dans ce cas le nombre et la synchronisation des photons, peut être représenté comme un cercle théorique. Un cercle parfaitement rond symbolise une incertitude égale dans les deux propriétés. Une ellipse - un cercle serré - représente une incertitude plus petite pour une propriété et une incertitude plus grande pour l'autre, selon la façon dont le cercle, et le rapport d'incertitude dans les propriétés quantiques d'un laser, est manipulé.

L'une des méthodes utilisées par les chercheurs pour effectuer la compression quantique consiste à utiliser des systèmes optomécaniques, conçu avec des pièces, comme les miroirs, qui peut être déplacé à un degré infime par la lumière laser entrante. Un miroir peut se déplacer en raison de la force qui lui est appliquée par les photons qui composent la lumière, et cette force est proportionnelle au nombre de photons qui frappent le miroir à un moment donné. La distance parcourue par le miroir à ce moment-là est liée au moment où les photons arrivent au miroir.

Bien sûr, les scientifiques ne peuvent pas connaître les valeurs précises du nombre et de la synchronisation des photons à un moment donné, mais grâce à ce genre de système, ils peuvent établir une corrélation entre les deux propriétés quantiques, et ainsi réduire l'incertitude et le bruit quantique global du laser.

Jusqu'à maintenant, la compression optomécanique a été réalisée dans de grandes installations qui doivent être logées dans des congélateurs cryogéniques. C'est parce que, même à température ambiante, l'énergie thermique environnante est suffisante pour avoir un effet sur les parties mobiles du système, provoquant une « gigue » qui dépasse toute contribution du bruit quantique. Pour se protéger du bruit thermique, les chercheurs ont dû refroidir les systèmes à environ 10 Kelvin, ou -440 degrés Fahrenheit.

"À la minute où vous avez besoin d'un refroidissement cryogénique, vous ne pouvez pas avoir un portable, presse-agrumes compact, " dit Mavalvala. " Cela peut être un écueil, parce que vous ne pouvez pas avoir un presse-agrumes qui vit dans un grand réfrigérateur, puis l'utiliser dans une expérience ou un appareil qui fonctionne sur le terrain."

Donner un coup de pouce à la lumière

L'équipe, dirigé par Aggarwal, a cherché à concevoir un système optomécanique à miroir mobile en matériaux absorbant intrinsèquement très peu d'énergie thermique, afin qu'ils n'aient pas besoin de refroidir le système de l'extérieur. Ils ont finalement conçu un très petit, Miroir de 70 microns de large composé de couches alternées d'arséniure de gallium et d'arséniure de gallium d'aluminium. Les deux matériaux sont des cristaux avec une structure atomique très ordonnée qui empêche toute chaleur entrante de s'échapper.

"Les matériaux très désordonnés peuvent facilement perdre de l'énergie car il y a beaucoup d'endroits où les électrons peuvent se cogner et entrer en collision et générer un mouvement thermique, " Aggarwal dit. " Plus un matériau est ordonné et pur, moins il a d'endroits pour perdre ou dissiper de l'énergie."

L'équipe a suspendu ce miroir multicouche avec un petit Porte-à-faux de 55 microns de long. Le miroir en porte-à-faux et multicouche ont également été façonnés pour absorber une énergie thermique minimale. Le miroir mobile et le porte-à-faux ont tous deux été fabriqués par Cole et ses collègues de Crystalline Mirror Solutions, et placé dans une cavité avec un miroir fixe.

Le système a ensuite été installé dans une expérience laser construite par le groupe de Corbitt à la Louisiana State University, où les chercheurs ont effectué les mesures. Avec le nouveau presse-agrumes, les chercheurs ont pu caractériser les fluctuations quantiques du nombre de photons en fonction de leur timing, lorsque le laser rebondit et se réfléchit sur les deux miroirs. Cette caractérisation a permis à l'équipe d'identifier et ainsi de réduire de 15 % le bruit quantique du laser, produisant une lumière "comprimée" plus précise.

Aggarwal a élaboré un plan pour que les chercheurs adoptent le système à n'importe quelle longueur d'onde de la lumière laser entrante.

"Comme les presses optomécaniques deviennent plus pratiques, c'est le travail qui l'a commencé, " dit Mavalvala. " Cela montre que nous savons comment faire ces températures ambiantes, presseurs indépendants de la longueur d'onde. Au fur et à mesure que nous améliorons l'expérience et les matériaux, nous ferons de meilleurs presse-agrumes."