Chaque impulsion optique du laser est envoyée à travers un convertisseur de phase, qui crée deux impulsions cohérentes, tandis que l'analyseur multimode mesure les signaux diffusés sur la surface cible, mis en œuvre avec du papier brillant ordinaire. Un réseau de détecteurs à photon unique est utilisé comme dispositif de détection, avec 8 x 8 pixels individuels qui sont chacun horodatés séparément. Crédit :Shihan Sajeed, Thomas Jennewein
La cohérence quantique est un ingrédient clé de nombreux tests et applications fondamentaux en technologie quantique, y compris la communication quantique, imagerie, l'informatique, détection et métrologie. Cependant, le transfert de cohérence quantique en espace libre s'est jusqu'à présent limité aux canaux en visibilité directe, car la turbulence atmosphérique et la diffusion dégradent sévèrement la qualité de la cohérence.
Dans un nouvel article publié dans Lumière :science et applications , des chercheurs de l'Université de Waterloo ont démontré pour la première fois avec succès le transfert et la récupération de la cohérence quantique à l'aide de photons dispersés dans l'espace libre. Cela permet de nouvelles opportunités de recherche et applications dans des domaines allant de la communication quantique à l'imagerie et au-delà.
« La capacité de transférer la cohérence quantique via des photons dispersés signifie que vous pouvez désormais faire beaucoup de choses qui nécessitaient auparavant des canaux en espace libre à visibilité directe, " a déclaré Shihan Sajeed, auteur principal de l'article et boursier postdoctoral à l'Institute for Quantum Computing (IQC) et au Département de physique et d'astronomie de l'Université de Waterloo en Ontario, Canada.
Normalement, si vous essayez d'envoyer et de recevoir des photons dans l'air (espace libre) pour la communication quantique, ou tout autre protocole à codage quantique, vous avez besoin d'une ligne de visée directe entre l'émetteur et le récepteur. Tout objet sur le chemin optique, aussi gros qu'un mur ou aussi petit qu'une molécule, réfléchira certains photons et en diffusera d'autres, en fonction de la réflectivité de la surface. Toute information quantique codée dans les photons est généralement perdue dans les photons diffusés, interruption du canal quantique.
Avec Thomas Jennewein, chercheur principal du laboratoire de photonique quantique à l'IQC, Sajeed a trouvé un moyen de coder la cohérence quantique dans des paires d'impulsions de photons envoyées l'une après l'autre, de sorte qu'ils conserveraient leur cohérence même après diffusion à partir d'une surface diffuse.
Les chercheurs ont émis un train de paires d'impulsions avec une cohérence de phase spécifique qui pouvait être mesurée à partir des photons diffusés à l'aide d'interférences quantiques. Ils ont également utilisé un capteur à matrice de détecteurs à photons uniques qui, en plus de résoudre les distorsions du front d'onde causées par la turbulence atmosphérique, a agi comme un imageur, leur permettant ainsi d'observer simultanément l'interférence et l'imagerie d'un seul photon. Ils ont placé le détecteur là où il n'absorberait que les photons diffusés par les impulsions laser, et observé une visibilité de plus de 90 %, ce qui signifie que les photons diffusés ont conservé leur cohérence quantique même après avoir heurté un objet.
Leur nouvelle technique nécessitait un matériel personnalisé pour utiliser la lumière cohérente qu'ils généraient. Le réseau de détecteurs à photons uniques pourrait détecter un milliard de photons par seconde, avec une précision de 100 picosecondes. Seule une électronique d'horodatage de pointe pourrait gérer les exigences de ce flux de lumière, et l'équipe a dû concevoir sa propre carte d'adaptation électronique pour communiquer entre les détecteurs et l'ordinateur qui traiterait les données.
"Notre technique peut aider à imager un objet avec des signaux quantiques ou transmettre un message quantique dans un environnement bruyant, " dit Sajeed. " Les photons diffusés retournant à notre capteur auront une certaine cohérence, alors que le bruit dans l'environnement ne le fera pas, et ainsi nous pouvons tout rejeter sauf les photons que nous avons initialement envoyés. »
Sajeed s'attend à ce que leurs découvertes stimulent de nouvelles recherches et de nouvelles applications en détection quantique, la communication, et l'imagerie dans des environnements d'espace libre. Le duo a démontré la communication et l'imagerie quantiques dans leur article, mais Sajeed a déclaré que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour découvrir comment leurs techniques pourraient être utilisées dans diverses applications pratiques.
"Nous pensons que cela pourrait être utilisé dans le LIDAR amélioré quantique (Light Detection and Ranging), détection quantique, imagerie sans visibilité directe, et bien d'autres domaines, les possibilités sont infinies, " a déclaré Sajeed.
