Une puce optique avec un stockage de lumière en forme d'anneau, appelé résonateur microring, et un couplage fibre optique. La puce ne mesure que trois millimètres de large et le résonateur annulaire à son extrémité a un rayon de 0,114 millimètre. Crédit :Armin Feist / Institut Max Planck pour les sciences multidisciplinaires
Des ordinateurs plus rapides, une communication à l'épreuve des écoutes, de meilleurs capteurs de voiture :les technologies quantiques ont le potentiel de révolutionner nos vies, tout comme l'ont fait l'invention des ordinateurs ou d'Internet. Des experts du monde entier tentent de mettre en œuvre les résultats de la recherche fondamentale dans les technologies quantiques. À cette fin, ils ont souvent besoin de particules individuelles, telles que les photons - les particules élémentaires de lumière - aux propriétés adaptées.
Cependant, l'obtention de particules individuelles est compliquée et nécessite des méthodes complexes. Dans une étude récemment publiée dans la revue Science , les chercheurs présentent maintenant une nouvelle méthode qui génère simultanément deux particules individuelles sous la forme d'une paire.
Physique quantique fondamentale dans les microscopes électroniques
L'équipe internationale de l'Institut Max Planck de Göttingen (MPI) pour les sciences multidisciplinaires, de l'Université de Göttingen et de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) a réussi à coupler des électrons libres et des photons uniques dans un microscope électronique. Dans l'expérience de Göttingen, le faisceau d'un microscope électronique traverse une puce optique intégrée, fabriquée par l'équipe suisse. La puce se compose d'un couplage à fibre optique et d'un résonateur en forme d'anneau qui stocke la lumière en maintenant les photons en mouvement sur une trajectoire circulaire.
"Lorsqu'un électron se diffuse au niveau du résonateur initialement vide, un photon est généré", explique Armin Feist, scientifique au MPI et l'un des premiers auteurs de l'étude. "Dans le processus, l'électron perd exactement la quantité d'énergie dont le photon a besoin pour être créé pratiquement à partir de rien dans le résonateur. En conséquence, les deux particules sont couplées par leur interaction et forment une paire." Grâce à une méthode de mesure améliorée, les physiciens ont pu détecter avec précision les particules individuelles impliquées et leur manifestation simultanée.
La future technologie quantique avec des électrons libres
"Avec la paire électron-photon, il suffit de mesurer une particule pour obtenir des informations sur le contenu énergétique et l'apparence temporelle de la seconde", explique Germaine Arend, Ph.D. candidat au MPI et également premier auteur de l'étude. Cela permet aux chercheurs d'utiliser une particule quantique dans une expérience tout en confirmant sa présence en détectant l'autre particule, dans un schéma dit d'annonce. Une telle fonctionnalité est nécessaire pour de nombreuses applications de la technologie quantique.
Le directeur de Max Planck, Claus Ropers, considère les paires électron-photon comme une nouvelle opportunité pour la recherche quantique. "La méthode ouvre de nouvelles possibilités fascinantes en microscopie électronique. Dans le domaine de l'optique quantique, les paires de photons intriqués améliorent déjà l'imagerie. Grâce à nos travaux, de tels concepts peuvent désormais être explorés avec des électrons", déclare Roper.
Tobias Kippenberg, professeur à l'EPFL, ajoute :« Pour la première fois, nous introduisons des électrons libres dans la boîte à outils de la science de l'information quantique. Plus largement, le couplage d'électrons libres et de lumière à l'aide de la photonique intégrée pourrait ouvrir la voie à une nouvelle classe de technologies quantiques hybrides. ." La photonique intégrée rencontre la microscopie électronique
