L'une des premières leçons qu'un élève en sciences de l'école primaire apprend est que la lumière blanche n'est pas du tout blanche, mais plutôt un composite de nombreux photons, ces petites gouttelettes d'énergie qui composent la lumière, de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel - rouge, Orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet.

Maintenant, des chercheurs de l'Université de Stanford ont développé un dispositif optique qui permet aux ingénieurs de modifier et d'affiner les fréquences de chaque photon individuel dans un flux de lumière à pratiquement n'importe quel mélange de couleurs qu'ils souhaitent. Le résultat, publié le 23 avril dans Communication Nature , est une nouvelle architecture photonique qui pourrait transformer des domaines allant des communications numériques et de l'intelligence artificielle à l'informatique quantique de pointe.

"Ce nouvel outil puissant met entre les mains de l'ingénieur un degré de contrôle qui n'était pas possible auparavant, " a déclaré Shanhui Fan, professeur de génie électrique à Stanford et auteur principal de l'article.

L'effet trèfle

La structure se compose d'un fil à faible perte pour la lumière transportant un flux de photons qui passent comme autant de voitures sur une voie de circulation très fréquentée. Les photons entrent alors dans une série d'anneaux, comme les rampes de sortie d'une autoroute en trèfle. Chaque anneau possède un modulateur qui transforme la fréquence des photons qui passent, des fréquences que nos yeux voient comme des couleurs. Il peut y avoir autant d'anneaux que nécessaire, et les ingénieurs peuvent contrôler finement les modulateurs pour composer la transformation de fréquence souhaitée.

Parmi les applications envisagées par les chercheurs, citons les réseaux de neurones optiques pour l'intelligence artificielle qui effectuent des calculs neuronaux en utilisant la lumière au lieu des électrons. Les méthodes existantes qui réalisent des réseaux de neurones optiques ne modifient pas réellement les fréquences des photons, mais simplement rediriger les photons d'une seule fréquence. Effectuer de tels calculs neuronaux par manipulation de fréquence pourrait conduire à des appareils beaucoup plus compacts, disent les chercheurs.

« Notre appareil s'écarte considérablement des méthodes existantes avec un faible encombrement tout en offrant une nouvelle flexibilité d'ingénierie formidable, " a déclaré Avik Dutt, un chercheur post-doctoral dans le laboratoire de Fan et deuxième auteur de l'article.

Voir la lumière

La couleur d'un photon est déterminée par la fréquence à laquelle le photon résonne, lequel, à son tour, est un facteur de sa longueur d'onde. Un photon rouge a une fréquence relativement lente et une longueur d'onde d'environ 650 nanomètres. A l'autre extrémité du spectre, la lumière bleue a une fréquence beaucoup plus rapide avec une longueur d'onde d'environ 450 nanomètres.

Une transformation simple pourrait impliquer de déplacer un photon d'une fréquence de 500 nanomètres à, dire, 510 nanomètres—ou, comme l'œil humain l'enregistrerait, un changement du cyan au vert. La puissance de l'architecture de l'équipe de Stanford est qu'elle peut effectuer ces transformations simples, mais aussi beaucoup plus sophistiqués avec un contrôle fin.

Pour mieux expliquer, Fan offre un exemple de flux lumineux entrant composé de 20 pour cent de photons dans la plage de 500 nanomètres et de 80 pour cent à 510 nanomètres. Grâce à ce nouvel appareil, un ingénieur pourrait affiner ce ratio à 73 % à 500 nanomètres et 27 % à 510 nanomètres, si vous le souhaitez, tout en préservant le nombre total de photons. Ou le ratio pourrait 37 et 63 pour cent, d'ailleurs. Cette capacité à définir le rapport est ce qui rend cet appareil nouveau et prometteur. De plus, dans le monde quantique, un seul photon peut avoir plusieurs couleurs. Dans cette circonstance, le nouveau dispositif permet en fait de changer le rapport des différentes couleurs pour un seul photon.

"Nous disons que cet appareil permet une transformation 'arbitraire' mais cela ne veut pas dire 'aléatoire, '", a déclaré Siddharth Buddhiraju, qui était un étudiant diplômé du Fan's lab pendant la recherche et est le premier auteur de l'article et qui travaille maintenant à Facebook Reality Labs. "Au lieu, nous voulons dire que nous pouvons réaliser n'importe quelle transformation linéaire dont l'ingénieur a besoin. Il y a une grande quantité de contrôle technique ici. »

"C'est très polyvalent. L'ingénieur peut contrôler les fréquences et les proportions très précisément et une grande variété de transformations sont possibles, " Fan ajouté. "Cela met un nouveau pouvoir dans les mains de l'ingénieur. C'est à eux de décider comment ils vont l'utiliser."