Interfaces atomes-lumière: la clé de la technologie quantique
Dans la vie de tous les jours, nous contrôlons et manipulons couramment la lumière à l’aide de miroirs, de câbles à fibres optiques et d’autres matériaux pour envoyer des informations et effectuer différentes tâches. Les scientifiques s’intéressent de plus en plus à ce qui se passe lorsque nous interagissons avec la lumière à l’échelle atomique. «À cette échelle, les interactions sont régies par la mécanique quantique, ce qui peut entraîner des comportements différents de ceux auxquels nous pourrions nous attendre sur la base de nos expériences quotidiennes», explique Darrick Chang, coordinateur du projet DAALI rattaché à l’Institut des sciences photoniques, en Espagne. «La façon dont ces interactions pourraient profiter aux technologies de l’information et de l’informatique qui reposent sur la mécanique quantique suscite un grand intérêt.»
Éléments constitutifs des technologies de l’information quantique
Cette recherche n’en est qu’à ses débuts. «Par exemple, la meilleure porte à photons - un élément de base pour mettre en œuvre la logique et l’informatique quantiques -, démontrée à ce jour, échoue encore plus souvent qu’elle ne réussit», explique Darrick Chang. Le projet DAALI a donc cherché à atteindre une plus grande efficacité pour les interactions atome-lumière. Pour ce faire, il s’est concentré sur deux approches relativement nouvelles et intéressantes. «La première consistait à développer des plateformes perturbatrices basées sur l’interface entre les atomes et les dispositifs nanophotoniques», explique Darrick Chang. «Les systèmes nanophotoniques offrent un excellent potentiel d’évolutivité, tandis que la capacité de confiner la lumière dans de petites régions nous permet d’approcher les limites ultimes des forces d’interaction entre l’atome et la lumière.» Le deuxième objectif du projet était d’exploiter de nouveaux principes puissants pour les interactions lumière-matière, en particulier l’utilisation de réseaux ordonnés d’atomes. «L’utilisation de réseaux denses et ordonnés nous permet de tirer parti des effets d’interférence importants dans la diffusion de la lumière», ajoute le chercheur. «Toutefois, jusqu’à présent, il a été difficile de mettre au point des plateformes expérimentales dotées de réseaux d’atomes parfaits.»
Mise en œuvre de tâches quantiques complexes
En ce qui concerne la nanophotonique, l’équipe a pu coupler des atomes uniques à des cavités à mode de chuchotement de galerie et mettre en œuvre des tâches quantiques plus complexes que ce qui avait été possible jusqu’ici. Des progrès significatifs ont par ailleurs été réalisés dans la conception d’un nouveau type d’interface, où les atomes sont couplés à des guides d’ondes en cristal photonique. L’équipe du projet a conçu de nouveaux moyens de réaliser des réseaux parfaits d’atomes pour des applications d’optique quantique. «L’équipe a mis au point le premier “microscope à gaz quantique” pour les atomes de strontium», note Darrick Chang. «Il s’agit d’une plateforme potentiellement puissante, non seulement pour l’optique quantique, mais aussi pour d’autres domaines de la science quantique tels que la simulation.» L’équipe a également élaboré différentes théories pour réaliser de courtes chaînes parfaites d’atomes couplées à un système nanophotonique, en s’appuyant sur l’élimination de tout atome n’appartenant pas à une chaîne parfaite.
Améliorer les interfaces entre l’atome quantique et la lumière
Ces résultats pourraient avoir des implications importantes pour les technologies quantiques. «La lumière est le seul moyen naturel de communiquer des informations sur de longues distances», explique Darrick Chang. «L’amélioration des interfaces entre l’atome quantique et la lumière devrait donc être la pierre angulaire de toute révolution quantique.» Rendre ces systèmes pleinement fonctionnels, par exemple en mettant en œuvre une porte à photons plus performante que dans les approches précédentes, prendra encore du temps. Cependant, Darrick Chang et son équipe croient fermement au potentiel de ces nouveaux systèmes et estiment qu’avec des efforts continus, une meilleure porte à photons devrait être plausible dans les prochaines années. «Aujourd’hui, le manuel typique d’optique quantique ne mentionne jamais la théorie de l’interaction entre les réseaux d’atomes ou les atomes couplés à des dispositifs nanophotoniques et la lumière», ajoute Darrick Chang. «J'espère que ces systèmes changeront la façon dont nous construisons et pensons les interfaces atome-lumière, et ce que nous pouvons en faire. Si cela se produit, nous devrons réécrire les livres!»
Mots‑clés
DAALI, atomique, quantique, technologies, atomes, photon, nanophotonique
