Des chercheurs proposent une nouvelle façon de générer des photons uniques —


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  • Après la “première révolution quantique” – le développement de dispositifs tels que les lasers et l’horloge atomique – la “deuxième révolution quantique” bat actuellement son plein. Des experts du monde entier développent des technologies fondamentalement nouvelles basées sur la physique quantique. Une application clé est la communication quantique, où les informations sont écrites et envoyées à la lumière. Pour de nombreuses applications utilisant des effets quantiques, la lumière doit être dans un certain état, à savoir un état à photon unique. Mais quelle est la meilleure façon de générer de tels états de photons uniques ? Dans le PRX Quantique journal, des chercheurs de Münster, Bayreuth et Berlin (Allemagne) ont maintenant proposé une toute nouvelle façon de préparer des systèmes quantiques afin de développer des composants pour la technologie quantique.

    De l’avis des experts, il est très prometteur d’utiliser des systèmes quantiques pour générer des états à photon unique. Un exemple bien connu d’un tel système quantique est une boîte quantique. Il s’agit d’une structure semi-conductrice, de quelques nanomètres seulement. Les points quantiques peuvent être contrôlés à l’aide d’impulsions laser. Bien que les points quantiques aient des propriétés similaires à celles des atomes, ils sont intégrés dans une matrice cristalline, ce qui est souvent plus pratique pour les applications. « Les points quantiques sont excellents pour générer des photons uniques, et c’est quelque chose que nous faisons déjà dans nos laboratoires presque tous les jours », explique le Dr Tobias Heindel, qui dirige un laboratoire expérimental pour la communication quantique à l’Université technique de Berlin. “Mais il y a encore beaucoup de place pour l’amélioration, notamment dans le transfert de cette technologie du laboratoire vers des applications réelles”, ajoute-t-il.

    Une difficulté qui doit être surmontée est de séparer les photons uniques générés de l’impulsion laser d’excitation. Dans leurs travaux, les chercheurs proposent une méthode entièrement nouvelle pour résoudre ce problème. “L’excitation exploite un processus de basculement vers le haut dans le système quantique”, explique Thomas Bracht de l’Université de Münster, l’auteur principal de l’étude. “Pour cela, nous utilisons une ou plusieurs impulsions laser qui ont des fréquences très différentes de celles du système. Cela rend le filtrage spectral très facile.”

    Les scientifiques définissent le “processus d’oscillation” comme un comportement particulier des particules excitées par la lumière laser dans le système quantique – les électrons ou, pour être plus précis, les paires électron-trou (excitons). Ici, la lumière laser de deux lasers est utilisée qui émet des impulsions lumineuses presque simultanément. En raison de l’interaction des impulsions les unes avec les autres, une modulation rapide se produit et, à chaque cycle de modulation, la particule est toujours un peu excitée, puis plonge à nouveau vers l’état fondamental. Dans ce processus, cependant, il ne retombe pas à son niveau précédent, mais est excité plus fortement à chaque oscillation jusqu’à ce qu’il atteigne l’état maximum. L’avantage de cette méthode est que la lumière laser n’a pas la même fréquence que la lumière émise par les particules excitées. Cela signifie que les photons générés à partir de la boîte quantique peuvent être clairement attribués.

    L’équipe a simulé ce processus dans le système quantique, fournissant ainsi des lignes directrices pour la mise en œuvre expérimentale. “Nous expliquons également la physique du processus de basculement, ce qui nous aide à mieux comprendre la dynamique du système quantique”, explique le professeur agrégé Dr Doris Reiter, qui a dirigé l’étude.

    Afin de pouvoir utiliser les photons dans la communication quantique, ils doivent posséder certaines propriétés. De plus, toute préparation du système quantique ne doit pas être influencée négativement par des processus environnementaux ou des influences perturbatrices. Dans les points quantiques, en particulier l’interaction avec le matériau semi-conducteur environnant est souvent un gros problème pour de tels schémas de préparation. “Nos simulations numériques montrent que les propriétés des photons générés après le processus de swing-up sont comparables aux résultats des méthodes établies pour générer des photons uniques, qui sont moins pratiques”, ajoute le professeur Martin Axt, qui dirige l’équipe de chercheurs de Bayreuth.

    L’étude constitue un travail théorique. En raison de la collaboration entre les groupes théoriques et expérimentaux, cependant, la proposition est très proche des conditions de laboratoire expérimentales réalistes, et les auteurs sont convaincus qu’une mise en œuvre expérimentale du schéma sera bientôt possible. Avec leurs résultats, les chercheurs franchissent une nouvelle étape vers le développement des technologies quantiques de demain.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université de Munster. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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