Crédit :Martin et al.
La lumière est connue pour avoir un certain nombre de propriétés fondamentales, y compris la couleur, luminosité, et direction, dont la plupart sont immédiatement apparents et peuvent être observés à l'œil nu. Il existe aujourd'hui plusieurs instruments pour détecter et mesurer ces propriétés, tels que les compteurs de photons, détecteurs souvent utilisés dans la recherche qui mesurent la luminosité en comptant les quanta lumineux individuels. Surtout, certains appareils existants peuvent également mesurer ces propriétés à la limite dite quantique, qui est une barrière fondamentale pour la précision d'une mesure.
Une propriété de la lumière qui s'est avérée jusqu'à présent assez insaisissable et difficile à mesurer à la limite quantique est la phase d'une onde lumineuse. Des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont récemment mis en œuvre une proposition introduite il y a 25 ans par l'un de leurs collaborateurs qui a décrit un moyen possible d'effectuer des mesures optimales de cette propriété, également connu sous le nom de mesures de phase canoniques. Dans un article publié en Physique de la nature , ils appliquent une méthode fiable pour mettre en œuvre des mesures de phase canoniques utilisant la rétroaction quantique, qui surpasse toutes les techniques proposées précédemment.
"La phase et la puissance obéissent à une version du principe d'incertitude de Heisenberg, tout comme la position et l'élan, " Leigh Martin, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Plus vous en savez sur un, moins vous en savez sur l'autre. Une propriété bizarre d'une mesure de phase canonique est qu'elle est complètement inconsciente de la puissance. En théorie, il ne peut pas faire la différence entre une lumière aveuglante et l'obscurité totale, mais il peut déterminer de manière optimale la phase du champ lumineux entrant."
La technique utilisée par les chercheurs mesure la phase d'une onde lumineuse à la limite quantique en ne mesurant pas la puissance de l'onde lumineuse. S'abstenir de mesurer la puissance, les chercheurs ont synchronisé leur détecteur avec le champ électrique entrant d'une onde lumineuse, qui oscille de haut en bas. La hauteur de l'onde à laquelle ce champ oscille détermine finalement la puissance d'un faisceau lumineux.
Un amplificateur paramétrique Josephson. En appliquant les commentaires à cet appareil, les auteurs mettent en œuvre une mesure presque idéale de la phase d'un photon micro-onde. Crédit :John Mark Kreikebaum.
"Si vous n'allumez votre détecteur que lorsque l'onde est entre "haut" et "bas", ' alors le champ à ce moment-là est nul quelle que soit la puissance globale, " expliqua Martin. " Le hic, c'est que vous ne savez pas à quel moment cela se produit à moins que vous ne connaissiez déjà la phase par laquelle commencer. Par conséquent, nous adaptons en permanence la synchronisation de notre détecteur au fur et à mesure que le signal arrive, en changeant essentiellement la synchronisation lors de l'arrivée d'un seul photon."
Les chercheurs ont évalué l'efficacité du nouveau système qu'ils ont conçu et ont découvert qu'il pouvait collecter avec succès des mesures d'un seul coup sur un paquet d'ondes à un photon. De plus, leur technique dépassait la norme actuelle pour la détection hétérodyne.
"Tome, ce projet montre à quel point nous pouvons apprendre et améliorer les mesures à l'aide d'effets quantiques, " Martin a déclaré. "Dans cette étude en particulier, nous avons utilisé un exemple de phénomène très général, c'est-à-dire que si vous changez votre base de mesure lors d'une mesure quantique, vous pouvez mesurer une classe d'observables beaucoup plus large que ce que vous avez commencé à mesurer."
À l'avenir, la nouvelle technique de mesure pourrait être utilisée pour mener des recherches impliquant la détection et l'exploitation de la phase des ondes lumineuses à la limite quantique. Dans leurs futurs travaux, Martin et ses collègues envisagent également d'explorer des méthodes de mesure alternatives qui exploitent les fortes non-linéarités des circuits supraconducteurs, une classe de circuits très efficaces avec une résistance électrique nulle.
"Les gens sont très enthousiasmés par les plateformes d'information quantique comme les circuits supraconducteurs pour le calcul quantique, mais il y a des tonnes de choses qui les rendent vraiment spéciales pour faire de la science de la mesure aussi, telles que les fortes non-linéarités des photons et les mesures adaptatives, " a déclaré Martin. " J'espère continuer à repousser les limites de la mesure quantique à la fois dans les circuits supraconducteurs et aussi dans le système avec lequel je travaille en ce moment, centres de vacance d'azote dans le diamant."
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