Des jumeaux identiques peuvent sembler « impossibles à distinguer, ' mais dans le monde quantique, le mot prend un nouveau sens. Alors que les vrais jumeaux partagent de nombreux traits, l'univers traite deux particules quantiques indiscernables comme intrinsèquement interchangeables. Cela ouvre la porte à des particules indiscernables qui interagissent de manières uniques, telles que les interférences quantiques, nécessaires aux ordinateurs quantiques.

Tout en générant une foule de photons - des particules de lumière - est aussi simple que d'actionner un interrupteur, il est plus délicat de faire une paire de photons indiscernables. Et il faut encore plus de travail pour doter cette paire d'un lien de mécanique quantique connu sous le nom d'intrication. Dans un article publié le 10 mai, 2021 dans la revue Photonique de la nature , Les chercheurs de JQI et leurs collègues décrivent une nouvelle façon de fabriquer des particules jumelles de lumière enchevêtrées et d'ajuster leurs propriétés en utilisant une méthode commodément logée sur une puce, une aubaine potentielle pour les technologies quantiques qui nécessitent une source fiable de paires de photons bien adaptées.

Les chercheurs, dirigé par le collègue de JQI Mohammad Hafezi, a conçu la méthode pour exploiter les avantages de la physique topologique. La physique topologique explore des phénomènes physiques auparavant inexploités en utilisant le domaine mathématique de la topologie, qui décrit des traits communs partagés par différentes formes. (Lorsque la géométrie concerne les angles et les tailles, la topologie concerne davantage les trous et les perforations - des caractéristiques globales qui ne dépendent pas des détails locaux.) Les chercheurs ont fait plusieurs découvertes majeures en appliquant cette approche, qui décrit comment les particules quantiques, comme les électrons ou, dans ce cas, photons - peuvent se déplacer dans un matériau ou un appareil particulier en analysant ses caractéristiques générales à travers le prisme des caractéristiques topologiques qui correspondent à des formes abstraites (comme le beignet dans l'image ci-dessus). Les phénomènes topologiques mis en évidence sont directement liés à la nature générale du matériau; ils doivent exister même en présence d'impuretés matérielles qui perturberaient le mouvement fluide des photons ou des électrons dans la plupart des autres circonstances.

Leur nouvelle méthode s'appuie sur des travaux antérieurs, y compris la génération d'une série de paires de photons distinguables. Dans les nouvelles et les anciennes expériences, l'équipe a créé un damier d'anneaux sur une puce de silicium. Chaque anneau est un résonateur qui agit comme une minuscule piste de course conçue pour faire voyager certains photons pendant longtemps. Mais puisque les photons individuels dans un résonateur vivent selon les règles quantiques, les voitures de course (photons) peuvent parfois passer sans changement à travers un mur intermédiaire et accélérer le long d'une piste voisine.

La grille répétitive d'anneaux imite la grille répétitive d'atomes que les électrons traversent dans un solide, permettant aux chercheurs de concevoir des situations pour la lumière qui reflètent des effets topologiques bien connus en électronique. En créant et en explorant différents environnements topologiques, l'équipe a développé de nouvelles façons de manipuler les photons.

"C'est exactement les mêmes mathématiques qui s'appliquent aux électrons et aux photons, " dit Sunil Mittal, chercheur postdoctoral JQI et premier auteur de l'article. « Donc, vous obtenez plus ou moins les mêmes caractéristiques topologiques. Toutes les mathématiques que vous faites avec les électrons, vous pouvez simplement transporter vers des systèmes photoniques."

Dans les travaux en cours, ils ont recréé un phénomène électronique appelé effet Hall quantique anormal qui ouvre la voie aux électrons sur le bord d'un matériau. Ces chemins de bord, qui sont appelés états de bord topologiques, existent en raison d'effets topologiques, et ils peuvent transporter des électrons de manière fiable tout en laissant les routes à travers l'intérieur facilement perturbées et impraticables. Atteindre cet effet topologique particulier nécessite que les champs magnétiques localisés poussent sur les électrons et que le champ magnétique total, lorsqu'il est moyenné sur de plus grandes sections du matériau, s'annule à zéro.

Mais les photons n'ont pas la charge électrique qui rend les électrons sensibles aux chocs magnétiques, l'équipe a donc dû recréer la poussée magnétique d'une autre manière. Pour y parvenir, ils ont tracé les pistes de manière à ce qu'il soit plus facile pour les photons de sauter mécaniquement entre les anneaux dans certaines directions. Cela simule l'influence magnétique manquante et crée un environnement avec une version photonique de l'effet Hall quantique anormal et ses chemins de bord stables.

Pour cette expérience, l'équipe a envoyé deux faisceaux laser de deux couleurs différentes (fréquences) de lumière dans cet environnement soigneusement conçu. A l'intérieur d'un résonateur, un photon de chacun des faisceaux se combine spontanément. Les chercheurs ont ensuite observé comment les photons se sont reformés en deux photons indiscernables, ont voyagé à travers les chemins de bord topologiques et ont finalement été éjectés de la puce.

Puisque les nouveaux photons se sont formés à l'intérieur d'un anneau de résonateur, ils ont pris les traits (polarisation et mode spatial) des photons que les résonateurs sont censés retenir. Le seul trait qui restait dont l'équipe devait s'inquiéter était leurs fréquences.

Les chercheurs ont fait correspondre les fréquences des photons en sélectionnant les fréquences d'entrée appropriées pour les deux lasers en fonction de la façon dont ils se combineraient à l'intérieur des résonateurs en silicium. Avec la compréhension théorique appropriée de l'expérience, ils peuvent produire des photons qui sont impossibles à distinguer mécaniquement quantique.

La nature de la formation des nouveaux photons fournit les caractéristiques quantiques souhaitées. Les photons sont intriqués de manière quantique en raison de la manière dont ils ont été générés par paires; leurs propriétés combinées, comme l'énergie totale de la paire, sont limitées par ce que les photons d'origine ont apporté au mélange, ainsi observer la propriété de l'un révèle instantanément le fait équivalent de l'autre. Jusqu'à ce qu'ils soient observés, c'est-à-dire détectés par les chercheurs - ils n'existent pas sous forme de deux particules individuelles avec des états quantiques distincts pour leurs fréquences. Plutôt, ce sont des mélanges identiques d'états fréquentiels possibles appelés une superposition. Les deux photons étant indiscernables, ils peuvent interférer mécaniquement l'un avec l'autre.

La combinaison résultante d'être indiscernables et intriqués est essentielle pour de nombreuses utilisations potentielles des photons dans les technologies quantiques. Un autre effet secondaire heureux de l'approche topologique du chercheur est qu'elle leur donne une plus grande capacité à ajuster les fréquences des photons jumeaux en fonction des fréquences qu'ils pompent dans la puce et de la correspondance des fréquences avec les états topologiques au bord du dispositif.

"Ce n'est pas le seul moyen de générer des paires de photons enchevêtrés - il existe de nombreux autres appareils - mais ils ne sont pas accordables, " dit Mittal. " Donc, une fois que vous avez fabriqué votre appareil, c'est comme ça. Si vous voulez changer la bande passante des photons ou faire autre chose, ce n'est pas possible. Mais dans notre cas, nous n'avons pas à concevoir un nouvel appareil. Nous avons montré que, juste en réglant les fréquences de la pompe, nous pourrions régler les propriétés d'interférence. Donc, c'était très excitant."

La combinaison des dispositifs réglables et robustes contre les imperfections de fabrication en fait une option attrayante pour les applications pratiques, disent les auteurs. L'équipe prévoit de continuer à explorer le potentiel de cette technique et des dispositifs topologiques associés et des moyens possibles d'améliorer davantage les dispositifs, tels que l'utilisation d'autres matériaux pour les fabriquer.