Les particules lumineuses identiques (photons) sont importantes pour de nombreuses technologies basées sur la physique quantique. Une équipe de chercheurs de Bâle et de Bochum a maintenant produit des photons identiques avec différents points quantiques - une étape importante vers des applications telles que les communications à l'épreuve des écoutes et l'Internet quantique.

De nombreuses technologies qui utilisent des effets quantiques sont basées sur des photons exactement égaux. Cependant, la production de tels photons est extrêmement difficile. Non seulement ils doivent avoir exactement la même longueur d'onde (couleur), mais leur forme et leur polarisation doivent également correspondre.

Une équipe de chercheurs dirigée par Richard Warburton à l'Université de Bâle, en collaboration avec des collègues de l'Université de Bochum, a maintenant réussi à créer des photons identiques provenant de sources différentes et largement séparées.

Photons uniques provenant de points quantiques

Dans leurs expériences, les physiciens ont utilisé ce qu'on appelle des points quantiques, des structures dans des semi-conducteurs d'une taille de quelques nanomètres seulement. Dans les points quantiques, les électrons sont piégés de telle sorte qu'ils ne peuvent prendre que des niveaux d'énergie très spécifiques. La lumière est émise lors d'une transition d'un niveau à un autre. À l'aide d'une impulsion laser qui déclenche une telle transition, des photons uniques peuvent ainsi être créés en appuyant sur un bouton.

« Ces dernières années, d'autres chercheurs ont déjà créé des photons identiques avec des points quantiques différents », explique Lian Zhai, chercheur postdoctoral et premier auteur de l'étude récemment publiée dans Nature Nanotechnology. . "Pour ce faire, cependant, parmi un grand nombre de photons, ils ont dû choisir ceux qui étaient les plus similaires à l'aide de filtres optiques." De cette façon, il ne restait que très peu de photons utilisables.

Warburton et ses collaborateurs ont choisi une approche différente, plus ambitieuse. Tout d'abord, les spécialistes de Bochum ont produit de l'arséniure de gallium extrêmement pur à partir duquel les points quantiques ont été fabriqués. Les variations naturelles entre les différentes boîtes quantiques pourraient ainsi être réduites au minimum. Les physiciens de Bâle ont ensuite utilisé des électrodes pour exposer deux points quantiques à des champs électriques réglés avec précision. Ces champs modifiaient les niveaux d'énergie des points quantiques, et ils étaient ajustés de telle manière que les photons émis par les points quantiques avaient exactement la même longueur d'onde.

93 % identiques

Pour démontrer que les photons étaient réellement indiscernables, les chercheurs les ont envoyés sur un miroir semi-argenté. Ils ont observé que, presque à chaque fois, les particules lumineuses traversaient le miroir par paire ou étaient réfléchies par paire. De cette observation, ils ont pu conclure que les photons étaient identiques à 93 %. En d'autres termes, les photons formaient des jumeaux même s'ils étaient "nés" complètement indépendamment les uns des autres.

Moreover, the researchers were able to realize an important building block of quantum computers, a so-called controlled NOT gate (or CNOT gate). Such gates can be used to implement quantum algorithms that can solve certain problems much faster than classical computers.

"Right now our yield of identical photons is still around one percent," Ph.D. student Gian Nguyen concedes. Together with his colleague Clemens Spindler he was involved in running the experiment. "We already have a rather good idea, however, how to increase that yield in the future." That would make the twin-photon method ready for potential applications in different quantum technologies. + Explorer plus loin

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