Trouver l’« aiguille quantique » dans une botte de foin

Une équipe de recherche de l’INRS développe une méthode simple et économe en énergie pour isoler les bons photons — ainsi que leurs propriétés quantiques.

Dans les technologies quantiques, tout dépend de la capacité à détecter les propriétés portées par un seul photon. Mais dans le monde réel, ce photon d’intérêt est souvent noyé dans une mer de lumière indésirable — un véritable défi de « l’aiguille dans une botte de foin » qui limite actuellement le déploiement de nombreuses applications, notamment la communication quantique sécurisée, les capteurs quantiques utilisés dans les réseaux de télescopes, ainsi que l’interconnexion d’ordinateurs quantiques pour accélérer le développement de nouveaux médicaments et matériaux. 

À l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), l’équipe du professeur José Azaña, en collaboration avec le groupe du professeur Roberto Morandotti, a développé une manière étonnamment simple et économe en énergie pour surmonter cet obstacle. Ce travail a été réalisé par Benjamin Crockett lors de son doctorat au Centre de recherche Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS. Il a récemment obtenu son diplôme et est maintenant boursier postdoctoral Banting à l’Université de la Colombie-Britannique (UBC).

Leur méthode réduit non seulement le bruit, mais, plus important encore, récupère les propriétés quantiques essentielles qui seraient autrement perdues dans des environnements lumineux où les technologies actuelles échouent.

« Avec cette nouvelle méthodologie, nous avons pu récupérer des états quantiques corrompus par de grandes quantités de bruit — des états qui auraient autrement été perdus. Cela pourrait permettre aux systèmes quantiques de fonctionner dans des conditions de bruit du monde réel, aidant à surmonter l’un des principaux obstacles au déploiement pratique des technologies quantiques. »  — Benjamin Crockett, auteur principal de l’étude et diplômé de l’INRS. 

Récupérer l’information quantique cachée

En détournant un dispositif optique classique — le Talbot Array Illuminator (TAI) — les chercheurs ont réussi à réorganiser la lumière dans le temps pour mettre en évidence les photons utiles sans amplification destructive. La méthode fonctionne pour des photons individuels ainsi que pour des paires de photons intriqués dans le temps, une ressource clé pour la communication quantique. Elle peut même révéler des signatures quantiques non classiques qui restent normalement invisibles dans des environnements lumineux.

L’une des principales idées de l’étude, explique Benjamin Crockett, est que nous pouvons manipuler les corrélations quantiques entre photons de la même manière que nous traitons des images.

Imaginez que vous avez une image corrompue par du bruit (comme montré en A de la figure). Pour la rendre lisible, vous pouvez la faire passer à travers une série de lentilles. Ces lentilles redistribuent l’image : au lieu d’une image floue et bruyante, elle devient un ensemble de points lumineux et bien définis. Cette transformation facilite l’ignorance du bruit et l’extraction de l’information significative. 

Ce principe peut également être appliqué dans le temps.

Tout comme nous traitons une image spatiale avec des éléments optiques, nous pouvons utiliser un équivalent temporel de ce système d’imagerie pour réorganiser les corrélations de photons dans le temps. Les corrélations sont redistribuées en une série de points temporels distincts, ce qui les rend beaucoup plus faciles à analyser malgré le bruit.

« Voir des propriétés quantiques émerger dans un environnement lumineux, sans étapes de traitement complexes, a été l’un des résultats les plus frappants. »
 — José Azaña, professeur à l’INRS spécialisé en photonique ultrarapide. 

Prochaines étapes

La prochaine phase pour l’équipe de l’INRS est d’intégrer cette méthode directement sur une puce, de la tester dans des fibres optiques et des canaux en espace libre, et de la combiner avec d’autres techniques pour améliorer la portée et la fiabilité des futures liaisons quantiques.

Ce travail a été rendu possible grâce au financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et du Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT).

Benjamin Crockett s’est distingué à l’INRS par plusieurs distinctions internationales majeures. Il est devenu le premier scientifique d’une université canadienne à remporter le prix d’innovation Tingye Li lors de la conférence OFC, une étape clé en optique et communications. Il a également reçu la distinction la plus élevée de la SPIE, la bourse D.J. Lovell, ainsi qu’une reconnaissance supplémentaire d’Optica et de l’IEEE Photonics Society, soulignant l’impact de son travail dans les technologies quantiques.

Article : Quantum state revival via coherent energy redistribution – Journal : Science Advances – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source INRS CA