Des chercheurs ont démontré comment la lumière quantique peut être façonnée dans l’espace et le temps pour créer des états quantiques de haute dimension et multidimensionnels. Leur travail souligne comment les photons structurés – une lumière dont les propriétés spatiales, temporelles ou spectrales sont délibérément modelées – offrent de nouvelles voies pour la communication quantique à haute capacité et les technologies quantiques avancées.
Publiée sous forme d’article de synthèse dans Nature Photonics, l’étude passe en revue les progrès rapides des techniques capables de créer, manipuler et détecter la lumière structurée quantique. Celles-ci incluent la photonique intégrée sur puce, l’optique non linéaire et la conversion de lumière multi-plans, qui constituent désormais une boîte à outils moderne et de plus en plus puissante. Ensemble, ces avancées rapprochent les états quantiques structurés des applications réelles en imagerie, détection et réseaux quantiques.
Selon le professeur Andrew Forbes, auteur correspondant de Wits, le domaine a radicalement changé en deux décennies. « Le façonnage des états quantiques, où la lumière quantique est conçue pour un usage particulier, a pris de l’ampleur récemment, commençant enfin à montrer tout son potentiel. Il y a vingt ans, la boîte à outils pour cela était pratiquement vide. Aujourd’hui, nous disposons de sources de lumière quantique structurée sur puce, compactes et efficaces, capables de créer et de contrôler des états quantiques. »
Un avantage clé de la structuration des photons est la capacité d’accéder à des alphabets d’encodage de haute dimension, permettant plus d’informations par photon et une plus grande résistance au bruit. Cela fait de la lumière quantique structurée une plateforme prometteuse pour la communication quantique sécurisée.
Cependant, les auteurs notent que certains canaux réels restent défavorables aux photons spatialement structurés, limitant la transmission sur de longues distances par rapport à des degrés de liberté plus traditionnels comme la polarisation. « Bien que nous ayons réalisé des progrès remarquables, des défis subsistent, explique Forbes. « La distance atteignable avec la lumière structurée, tant classique que quantique, reste très faible … mais c’est aussi une opportunité, stimulant la recherche de degrés de liberté plus abstraits à exploiter. »
Une approche émergente consiste à doter les états quantiques de propriétés topologiques, offrant une robustesse inhérente aux perturbations. « Nous avons récemment montré comment les fonctions d’onde quantiques ont naturellement le potentiel d’être topologiques, et cela promet la préservation de l’information quantique même si l’intrication est fragile », affirme Forbes.
L’article de synthèse documente également les développements rapides dans l’intrication multidimensionnelle, la structuration temporelle ultrarapide, les schémas de détection quantique non linéaires et les sources sur puce capables de générer ou de traiter la lumière quantique à des dimensions plus élevées qu’auparavant. Les applications mises en avant incluent l’imagerie quantique haute résolution, la métrologie de précision utilisant des photons structurés et les réseaux quantiques capables de transporter plus d’informations via de multiples canaux couplés.
La recherche indique un point d’inflexion pour le domaine. Comme le concluent les auteurs, l’avenir de l’optique quantique avec la lumière quantique structurée « semble en effet très prometteur » – mais des travaux supplémentaires sont nécessaires pour augmenter la dimensionnalité, accroître le nombre de photons et concevoir des états qui survivent aux environnements optiques réalistes.
Article : Progress in quantum structured light – Journal : Nature Photonics
Source : Wits
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