La recherche révèle de nouveaux phénomènes quantiques exotiques dans les interfaces atome-nanophotonique
Les recherches portant sur les interfaces lumière-matière efficaces à l’échelle nanométrique ont récemment suscité un vif intérêt, principalement en raison de la pléthore d’applications potentielles qu’elles impliquent, notamment pour l’informatique quantique et la détection quantique monophotonique. L’amélioration des interactions lumière-matière fait généralement intervenir le couplage d’un atome avec un système macroscopique, tel qu’une grande cavité optique, ou la connexion d’un nuage dense d’atomes avec la lumière dans l’espace libre. L’étape suivante consiste à coupler des atomes à des structures nanophotoniques. Cette intégration peut rendre les interactions entre la lumière et la matière encore plus fortes, ce qui permet d’obtenir des systèmes plus robustes. «Une question absolument centrale consiste à savoir si l’utilisation d’interfaces nanophotoniques peut révéler des phénomènes quantiques jamais observés auparavant, au lieu de se contenter d’améliorer à peine le fonctionnement des anciennes solutions», note Darrick Chang, bénéficiaire d’une subvention du CER et chercheur principal du projet FoQAL, financé par le CER. «D’un point de vue théorique, il s’agit de savoir comment modéliser ces nouveaux systèmes qui semblent très différents de leurs homologues dont les dimensions sont bien plus grandes», ajoute Darrick Chang.
Un nouveau modèle qui capture la dynamique quantique
Offrir une description détaillée de la dynamique quantique des atomes et de la lumière à l’échelle nanométrique s’avère extrêmement difficile. Cela est principalement dû au grand nombre d’atomes impliqués et au nombre infini de modes lumineux définissant la façon dont les ondes lumineuses se déplacent dans l’espace. L’équipe du projet a développé un formalisme nouveau et universel qui établit les états électroniques («spins») des atomes comme principaux degrés de liberté – des valeurs indépendantes qui ont la liberté de varier. Dans ce modèle dit de «spin», les atomes interagissent les uns avec les autres par échange de photons. «Si nous résolvons ce modèle, nous pouvons alors dériver toutes les propriétés quantiques des photons générés en nous basant sur les propriétés des atomes eux-mêmes. Grâce à cette formulation exacte, il n’est plus nécessaire de suivre le nombre infini de modes optiques», explique Darrick Chang.
Les interférences des ondes lumineuses ne doivent pas être négligées
En utilisant le modèle de spin, les chercheurs ont montré que les guides d’ondes des cristaux nanophotoniques constituent de nouvelles plateformes où les atomes et les photons peuvent interagir les uns avec les autres même lorsqu’ils sont séparés par des distances relativement importantes. Ce type d’interaction longue distance, assez rare dans la plupart des environnements physiques, permet d’observer des phénomènes exotiques tels que les cristaux quantiques formés par des atomes maintenus ensemble par enchevêtrement. Le modèle a également aidé l’équipe FoQAL à acquérir de nouvelles connaissances sur les gaz atomiques classiques dans l’espace libre. Par exemple, ils ont prédit une nouvelle valeur (borne) concernant la performance d’une mémoire quantique pour la lumière, qui s’avère exponentiellement meilleure qu’une borne auparavant considérée comme fondamentale. Cette amélioration spectaculaire découle de l’exploitation de l’interférence des ondes dans l’émission de lumière des atomes, qui atteint son maximum lorsque les atomes sont piégés les uns à proximité des autres. Il est intéressant de noter que l’interférence est entièrement ignorée dans les interfaces lumière-matière classique, soit parce qu’elle est difficile à traiter dans les équations, soit parce qu’elle est négligeable. «Les résultats suggèrent que l’interférence est un élément essentiel qui peut améliorer la capacité de stockage et l’efficacité des interfaces lumière-matière. Il semble donc impératif d’examiner si l’interférence peut être utilisée pour stimuler d’autres applications quantiques et si elle peut conduire à des phénomènes supplémentaires remettant en question nos connaissances théoriques sur les interactions entre l’atome et la lumière», conclut Darrick Chang.
Mots‑clés
FoQAL, interférence, interaction lumière-matière, phénomènes quantiques exotiques, cristal nanophotonique, interface nanophotonique, modèle de spin, mémoire quantique
