Des scientifiques de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière et de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, en coopération avec Sandia National Laboratories, ont créé avec succès des paires de photons à plusieurs fréquences différentes à l'aide de métasurfaces résonnantes.

Un photon est le quantum (la quantité minimale impliquée dans une interaction) de toute forme de rayonnement électromagnétique, comme la lumière. Les photons sont essentiels à un certain nombre de domaines de recherche et de technologies actuelles, comme l'ingénierie de l'état quantique, qui à son tour représente la pierre angulaire de toutes les technologies photoniques quantiques. Avec l'aide de la photonique quantique, des scientifiques et des ingénieurs travaillent à la création de nouvelles technologies telles que de nouvelles formes de cryptage pour des canaux de communication hautement sécurisés et de nouveaux types de superordinateurs.

L'une des principales exigences de l'ingénierie des états quantiques est la création de paires de photons. Ceci a traditionnellement été réalisé grâce à l'utilisation de l'un des deux effets non linéaires, la conversion descendante paramétrique spontanée (SPDC) ou le mélange spontané à quatre ondes (SFWM), dans des éléments optiques en vrac. Les effets non linéaires provoquent la désintégration spontanée d'un ou deux photons de pompe en une paire de photons.

Cependant, ces effets nécessitent une stricte conservation de l'impulsion pour les photons impliqués. Tout matériau que les photons doivent traverser a des propriétés de dispersion, empêchant la conservation de la quantité de mouvement. Il existe des techniques qui permettent encore d'obtenir la conservation nécessaire, mais celles-ci limitent considérablement la polyvalence des états dans lesquels les paires de photons peuvent être produites. En conséquence, même si les éléments optiques traditionnels tels que les cristaux non linéaires et les guides d'ondes ont produit avec succès de nombreux états quantiques photoniques, leur utilisation est limitée et difficile à manier. Ainsi, récemment, les chercheurs se sont tournés vers les métasurfaces dites optiques.

Produire des paires de photons avec des métasurfaces

Les métasurfaces sont des dispositifs optiques planaires ultrafins constitués de réseaux de nanorésonateurs. Leur épaisseur inférieure à la longueur d'onde (quelques centaines de nanomètres) les rend effectivement bidimensionnels. Cela les rend beaucoup plus faciles à manipuler que les appareils optiques encombrants traditionnels. Plus important encore, en raison de la moindre épaisseur, la conservation de l'impulsion des photons est relâchée car les photons doivent traverser beaucoup moins de matière qu'avec les dispositifs optiques traditionnels :selon le principe d'incertitude, le confinement dans l'espace conduit à une impulsion indéfinie. Cela permet à de multiples processus non linéaires et quantiques de se produire avec des efficacités comparables et ouvre la porte à l'utilisation de nombreux nouveaux matériaux qui ne fonctionneraient pas dans les éléments optiques traditionnels.

Pour cette raison, et aussi parce qu'elles sont compactes et plus pratiques à manipuler que les éléments optiques volumineux, les métasurfaces deviennent des sources de paires de photons pour les expériences quantiques. De plus, les métasurfaces pourraient transformer simultanément les photons selon plusieurs degrés de liberté, tels que la polarisation, la fréquence et le chemin.

Tomás Santiago-Cruz et Maria Chekhova de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière et de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg en coopération avec le groupe de recherche d'Igal Brener aux Sandia National Laboratories à Albuquerque, Nouveau-Mexique, ont franchi une nouvelle étape pour y parvenir. Dans un article récemment publié dans Science journal, Chekhova et ses collègues ont pour la première fois démontré comment les métasurfaces produisent des paires de photons de deux longueurs d'onde différentes.

De plus, des photons d'une certaine longueur d'onde peuvent être appariés avec des photons à deux ou plusieurs longueurs d'onde différentes simultanément. De cette façon, on peut créer de multiples liens entre des photons de couleurs différentes. De plus, les résonances de la métasurface augmentent le taux d'émission de photons de plusieurs ordres de grandeur par rapport à des sources uniformes de même épaisseur. Tomás Santiago-Cruz pense que les métasurfaces joueront un rôle clé dans la future recherche quantique :"Les métasurfaces conduisent à un changement de paradigme dans l'optique quantique, combinant des sources ultra petites de lumière quantique avec des possibilités étendues pour l'ingénierie quantique."

À l'avenir, ces fonctionnalités pourront être utilisées pour construire de très grands états quantiques compliqués, nécessaires au calcul quantique. De plus, le profil mince des métasurfaces et leur fonctionnement multifonctionnel permettent le développement de dispositifs compacts plus avancés, combinant génération, transformation et détection d'états quantiques. Maria Chekhova est enthousiasmée par la voie empruntée par leurs recherches :"Les sources de nos photons deviennent de plus en plus minuscules, tandis que leurs possibilités ne cessent de s'élargir de plus en plus." + Explorer plus loin

Génération de photons intriqués avec des métasurfaces non linéaires