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Posté par Redbran le Lundi 30/04/2018 à 12:00
Des états photoniques quantiques pour caractériser les propriétés optiques des matériaux
Grâce à l'exploitation de paires de photons intriqués, des physiciens ont introduit le concept d'interférométrie quantique en lumière blanche et l'appliquent à la caractérisation ultra précise de propriétés optiques des matériaux.


(a) Dispositif expérimental. Un laser à 780 nm pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) un guide d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) non-linéaire de niobate de lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) polarisé périodiquement (acronyme anglais, PPNL/W) afin de générer, par conversion paramétrique autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter,...) de 1560 nm, des paires de photons intriqués sur les observables tempsénergie. L'étendue spectrale de ces photons ( 120 nm) permet de qualifier la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se propagent pas à la...) chromatique (D) d'une fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions terrestres et...) standard via un dispositif d'interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre plusieurs ondes cohérentes entre elles.) quantique en ?lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de...) blanche? en configuration Mach-Zehnder. (b) Figure d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en optique avec les ondes lumineuses, mais...) typique obtenue en sortie du dispositif. L'ajustement des franges permet d'obtenir la valeur de la dispersion chromatique D par le biais d'un seul paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) libre. (c) Valeur moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des...) de D et incertitude associée après 100 mesures. © F. Kaiser, INPHYNI (CNRS/Univ. Nice Sophia Antipolis)

La détection de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) représente l'une des mesures les plus avancées en métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.) classique. Elle a permis, notamment, la détection directe des ondes gravitationnelles. La précision maximale pour la mesure d'une phase relative ? est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) par la limite quantique standard, ??? 1/?N, où N représente le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de photons utilisés pour la mesure. Du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) fondamental, cette limite peut être dépassée en utilisant de la "lumière quantique", par exemple un état dit "N00N". Si l'on considère un interféromètre, l'état N00N signifie qu'il y a N photons dans le bras 1, et aucun dans le bras 2, et en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) aucun photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) dans le bras 1 et N photons dans le bras 2. Les deux états N0 et 0N se superposent de manière cohérente en permanence, d'où le concept de "lumière quantique". Il est possible de les faire interférer et, dans ce cas, on peut montrer que la sensibilité au changement de phase est multipliée par N, et la précision sur une mesure de phase peut atteindre la limite de Heisenberg, ???1/N.

Afin d'atteindre un tel niveau de sensibilité, il convient d'exploiter l'interférométrie quantique en lumière blanche qui, dans sa plus simple expression, nécessite la production d'un état N00N à deux photons (N = 2) dont la gamme de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on...) est aussi étendue que possible. Les états (20) et (02) forment une figure d'interférence qui est sensible à deux fois la phase relative entre les deux bras de l'interféromètre.

Pour produire un état N00N à deux photons, les chercheurs ont utilisé comme source de lumière blanche quantique un laser à 780 nm pompant un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout...) non linéaire (cf. figure (a)). Des paires de photons intriqués en énergie-temps sont produites autour de 1560 nm avec une largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un...) spectrale de ? 120 nm. Les photons sont envoyés dans un interféromètre de type Mach-Zehnder fortement déséquilibré. Un bras est entièrement en espace libre (référence) et l'autre contient la fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) à tester. Les paires de photons sont mesurées grâce à un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il...) de photons uniques à une sortie et un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de...) sensible aux photons uniques dans l'autre sortie. Un spectrogramme typique (une figure d'interférence) est montré en figure (b).

Au-delà du doublement de la sensibilité en phase donnée par l'état 2002, l'interférométrie quantique apporte plusieurs avantages importants qui dépassent les capacités de l'interférométrie en lumière blanche standard. Notamment, la version quantique ne nécessite pas que l'interféromètre soit équilibré, permettant ainsi des séries de mesures avec des échantillons (matériaux ou fibres optiques) possédant diverses épaisseurs/longueurs et/ou propriétés optiques. L'exploitation de ces avantages a permis d'effectuer une mesure avec une précision inédite de la dispersion chromatique (dépendance des temps de propagation des diverses composantes spectrales d'une impulsion optique) dans une fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) optique. Sa connaissance est indispensable pour un grand nombre d'applications, comme la fabrication de fibres spéciales pour les lasers dans les domaine de la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie), et cherchant à restaurer la...), des télécoms à très haut débit (Le terme de très haut débit (ou THD) fait référence à des capacités d'accès à internet supérieures à celle de l'accès par l'ADSL dans le...), de la spectroscopie, etc.

La précision issue de l'analyse statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une...) est montrée en figure (c), et est obtenue en répétant cette mesure 100 fois sur la même fibre. Ainsi, la dispersion chromatique de la fibre vaut D = 17,035 ps/nm·km à 1560 nm, qui est en excellent accord avec les spécifications du fabricant. La précision obtenue est de ±0,021 ps/nm·km, ce qui est 2,4 fois meilleur que la mesure standard (± 0,054 ps/nm·km) effectuée en parallèle, selon la même démarche scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) et en utilisant 60 fois moins de photons en moyenne par rapport aux meilleures réalisations classiques.

Du fait de ces nombreux avantages (haute précision, rapidité de mesure accrue), l'exploitation de paires de photons intriqués devrait avoir des répercussions importantes dans la caractérisation systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé sur des principes divers. Elle ne doit...) et en temps réel des propriétés optiques de nombreux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.).

Référence publication:
Quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce soit celle de l'énergie,...) enhancement of accuracy and precision in optical interferometry
F. Kaiser, P. Vergyris, D. Aktas, C. Babin, L. Labonté et S. Tanzilli
Light Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) & Applications (2018), doi 10.1038/lsa.2017.163.
Retrouvez l'article sur les bases d'archives ouvertes arXiv

Contact chercheur:
Sébastien Tanzilli, directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) de Nice (INPHYNI, CNRS/Univ. Nice Sophia Antipolis (Sophia Antipolis est une technopole située dans une pinède de 2 400 hectares sur les communes d'Antibes, Biot, Vallauris, Valbonne Sophia Antipolis et Mougins, entre Nice...), membre d'Univ. Côte d'Azur)

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Source: CNRS-INP
 
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