Dans le domaine en constante évolution de la technologie quantique, les systèmes basés sur le quantique promettent une informatique plus rapide et un cryptage plus fort pour les systèmes de calcul et de communication. Ces systèmes peuvent être construits sur des réseaux de fibres impliquant des nœuds interconnectés qui se composent de qubits et de générateurs de photons uniques qui créent des paires de photons intriqués.
À cet égard, les atomes et ions de terres rares (RE) dans les matériaux à l’état solide sont très prometteurs en tant que générateurs de photons uniques. Ces matériaux sont compatibles avec les réseaux de fibres et émettent des photons sur une large gamme de longueurs d’onde.
Les terres rares et les systèmes quantiques
En raison de leur large gamme spectrale, les fibres optiques dopées avec ces éléments RE pourraient trouver une utilisation dans diverses applications, telles que la télécommunication en espace libre, les télécommunications basées sur la fibre, la génération de nombres aléatoires quantiques et l’analyse d’images haute résolution.
Jusqu’à présent, les sources de lumière à photon unique ont été développées en utilisant des matériaux cristallins dopés RE à des températures cryogéniques, ce qui limite les applications pratiques des réseaux quantiques basés sur eux.
Une équipe de chercheurs du Japon, dirigée par le professeur associé Kaoru Sanaka de l’Université des sciences de Tokyo (TUS) a réussi à développer une source de lumière à photon unique composée d’ions ytterbium dopés (Yb3+) dans une fibre optique de silice amorphe à température ambiante.
Le professeur associé Mark Sadgrove et M. Kaito Shimizu de TUS et le professeur Kae Nemoto de l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University ont également participé dans une étude publiée dans la revue Physical Review Applied.
Une nouvelle source de lumière à photon unique
Cette nouvelle source de lumière à photon unique élimine le besoin de systèmes de refroidissement coûteux et a le potentiel de rendre les réseaux quantiques plus rentables et accessibles.
« Les sources de lumière à photon unique sont des dispositifs qui contrôlent les propriétés statistiques des photons, qui représentent les plus petites unités d’énergie de la lumière », explique le Dr Sanaka. « Dans cette étude, nous avons développé une source de lumière à photon unique en utilisant un matériau de fibre optique dopé avec des éléments RE optiquement actifs. Nos expériences révèlent également qu’une telle source peut être générée directement à partir d’une fibre optique à température ambiante. »
L’ytterbium est un élément RE avec des propriétés optiques et électroniques favorables, ce qui en fait un candidat approprié pour le dopage de la fibre. Il a une structure de niveau d’énergie simple, et l’ion ytterbium dans son état excité a une longue durée de vie de fluorescence d’environ une milliseconde.
Pour fabriquer la fibre optique dopée à l’ytterbium, les chercheurs ont effilé une fibre dopée à l’ytterbium disponible dans le commerce en utilisant une technique de chauffage et de traction, où une section de la fibre est chauffée puis tirée avec tension pour réduire progressivement son diamètre.
Analyse des photons émis
À l’intérieur de la fibre effilée, les atomes RE individuels émettent des photons lorsqu’ils sont excités par un laser. La séparation entre ces atomes RE joue un rôle crucial dans la définition des propriétés optiques de la fibre. Par exemple, si la séparation moyenne entre les atomes RE individuels dépasse la limite de diffraction optique, qui est déterminée par la longueur d’onde des photons émis, la lumière émise par ces atomes semble provenir de grappes plutôt que de sources individuelles distinctes.
Pour confirmer la nature de ces photons émis, les chercheurs ont utilisé une méthode analytique appelée autocorrélation, qui évalue la similitude entre un signal et sa version retardée. En analysant le motif des photons émis à l’aide de l’autocorrélation, les chercheurs ont observé des émissions non résonnantes et ont obtenu des preuves supplémentaires de l’émission de photons par l’ion ytterbium unique dans le filtre dopé.
En synthèse
Alors que la qualité et la quantité de photons émis peuvent être encore améliorées, la fibre optique développée avec des atomes d’ytterbium peut être fabriquée sans avoir besoin de systèmes de refroidissement coûteux. Cela surmonte un obstacle significatif et ouvre la porte à diverses technologies d’information quantique de nouvelle génération.
« Nous avons démontré une source de lumière à photon unique à faible coût avec une longueur d’onde sélectionnable et sans besoin d’un système de refroidissement. À l’avenir, elle peut permettre diverses technologies d’information quantique de nouvelle génération telles que les générateurs de nombres aléatoires véritablement aléatoires, la communication quantique, les opérations logiques quantiques et l’analyse d’images haute résolution au-delà de la limite de diffraction », conclut le Dr Sanaka.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un système basé sur le quantique ?
Un système basé sur le quantique est un système qui utilise les principes de la mécanique quantique, comme la superposition et l’intrication, pour effectuer des calculs ou des communications. Ces systèmes peuvent être construits sur des réseaux de fibres impliquant des nœuds interconnectés qui se composent de qubits et de générateurs de photons uniques qui créent des paires de photons intriqués.
Qu’est-ce qu’un générateur de photons uniques ?
Un générateur de photons uniques est un dispositif qui contrôle les propriétés statistiques des photons, qui représentent les plus petites unités d’énergie de la lumière. Ces générateurs sont essentiels pour les technologies d’information quantique, comme la communication quantique et la génération de nombres aléatoires quantiques.
Qu’est-ce que l’ytterbium et pourquoi est-il utilisé dans cette étude ?
L’ytterbium est un élément des terres rares avec des propriétés optiques et électroniques favorables, ce qui en fait un candidat approprié pour le dopage de la fibre. Il a une structure de niveau d’énergie simple, et l’ion ytterbium dans son état excité a une longue durée de vie de fluorescence d’environ une milliseconde.
Qu’est-ce que la méthode d’autocorrélation et pourquoi est-elle utilisée ?
L’autocorrélation est une méthode analytique qui évalue la similitude entre un signal et sa version retardée. Dans cette étude, elle a été utilisée pour analyser le motif des photons émis par l’ion ytterbium unique dans la fibre dopée, confirmant ainsi la nature de ces photons.
Quels sont les avantages de cette nouvelle source de lumière à photon unique ?
Cette nouvelle source de lumière à photon unique élimine le besoin de systèmes de refroidissement coûteux et a le potentiel de rendre les réseaux quantiques plus rentables et accessibles. Elle peut permettre diverses technologies d’information quantique de nouvelle génération telles que les générateurs de nombres aléatoires véritablement aléatoires, la communication quantique, les opérations logiques quantiques et l’analyse d’images haute résolution au-delà de la limite de diffraction.
Principaux enseignements
| Enseignements | Détails |
|---|---|
| Systèmes basés sur le quantique | Ils promettent une informatique plus rapide et un cryptage plus fort pour les systèmes de calcul et de communication. |
| Générateurs de photons uniques | Ils sont essentiels pour les technologies d’information quantique, comme la communication quantique et la génération de nombres aléatoires quantiques. |
| Ytterbium | C’est un élément des terres rares avec des propriétés optiques et électroniques favorables, ce qui en fait un candidat approprié pour le dopage de la fibre. |
| Autocorrélation | C’est une méthode analytique qui a été utilisée pour analyser le motif des photons émis par l’ion ytterbium unique dans la fibre dopée. |
| Nouvelle source de lumière à photon unique | Elle élimine le besoin de systèmes de refroidissement coûteux et a le potentiel de rendre les réseaux quantiques plus rentables et accessibles. |
Références
Physical Review Applied, Volume 20, Issue 4, 16 October 2023
Article : « Room-temperature addressing of single rare-earth atoms in optical fiber » – DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.044038
