Une équipe de scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos propose que les métasurfaces quantiques modulées puissent contrôler toutes les propriétés des qubits photoniques, une percée qui pourrait impacter les domaines de l'information quantique, communication, détection et imagerie, ainsi que la récolte d'énergie et d'élan. Les résultats de leur étude ont été publiés hier dans la revue Lettres d'examen physique , publié par l'American Physical Society.

"Les gens étudient depuis longtemps les métasurfaces classiques, " dit Diego Dalvit, qui travaille dans le groupe Matière Condensée et Systèmes Complexes à la Division Théorique du Laboratoire. "Mais nous avons eu cette nouvelle idée, qui devait moduler dans le temps et dans l'espace les propriétés optiques d'une métasurface quantique permettant de manipuler, sur demande, tous les degrés de liberté d'un même photon, qui est l'unité de lumière la plus élémentaire."

Les métasurfaces sont des structures ultrafines qui peuvent manipuler la lumière d'une manière que l'on ne voit généralement pas dans la nature. Dans ce cas, l'équipe a développé une métasurface qui ressemblait à un ensemble de croix tournées, qu'ils peuvent ensuite manipuler avec des lasers ou des impulsions électriques. Ils ont ensuite proposé de tirer un seul photon à travers la métasurface, où le photon se divise en une superposition de plusieurs couleurs, chemins, et des états de filature qui sont tous entrelacés, générer ce qu'on appelle l'intrication quantique, ce qui signifie que le photon unique est capable d'hériter de toutes ces propriétés différentes à la fois.

"Lorsque la métasurface est modulée avec des impulsions laser ou électriques, on peut contrôler la fréquence du photon unique réfracté, modifier son angle de trajectoire, la direction de son champ électrique, ainsi que sa torsion, ", explique Abul Azad du Center for Integrated Nanotechnologies de la Division Physique des Matériaux et Applications du Laboratoire.

En manipulant ces propriétés, cette technologie pourrait être utilisée pour coder des informations dans des photons voyageant dans un réseau quantique, tout des banques, ordinateurs quantiques, et entre la Terre et les satellites. L'encodage des photons est particulièrement souhaitable dans le domaine de la cryptographie car les « espions » sont incapables de visualiser un photon sans modifier sa physique fondamentale, qui, si cela est fait, alertera alors l'expéditeur et le destinataire que les informations ont été compromises.

Les chercheurs travaillent également sur la façon d'extraire des photons du vide en modulant la métasurface quantique.

"Le vide quantique n'est pas vide mais plein de photons virtuels éphémères. Avec la métasurface quantique modulée, on est capable d'extraire et de convertir efficacement des photons virtuels en paires de photons réels, " dit Wilton Kort-Kamp, qui travaille dans la division théorique du groupe Matière condensée et systèmes complexes du Laboratoire.

Exploiter les photons qui existent dans le vide et les tirer dans une direction devrait créer une propulsion dans la direction opposée. De la même manière, l'agitation du vide devrait créer un mouvement de rotation à partir des photons tordus. La lumière quantique structurée pourrait alors un jour être utilisée pour générer une poussée mécanique, en utilisant seulement de minuscules quantités d'énergie pour conduire la métasurface.