Comment disparaissent les photons ?

Un photon micro-onde qui entre en collision avec un qubit supraconducteur peut être scindé en plusieurs photons. Ce processus est bien plus efficace que son analogue optique dans un cristal.

Les photons sont des grains de lumière qui se propagent dans le vide avec une énergie bien définie. Lorsqu'ils interagissent avec la matière, ils peuvent se transformer en photons d'énergie différente. Ainsi, deux photons peuvent fusionner en un nouveau photon dont l'énergie est la somme des énergies des photons initiaux. C'est la non-linéarité de l'interaction entre la lumière et la matière qui rend ce processus possible. Inversement, un photon peut-il disparaître spontanément, en produisant des photons d'énergie plus petite, lorsqu'il traverse un cristal ? Alors que ce processus est classiquement interdit, la physique quantique l'autorise. Il a même été utilisé pour produire des paires de photons intriqués. Cependant, cette fission spontanée d'un photon visible ou infra-rouge est extrêmement peu efficace: elle ne concerne que quelques photons par million.


Dans les réseaux de jonctions Josephson entre îles supraconductrices, les oscillations de la différence de phase supraconductrice se propagent comme les photons lumineux, mais aux fréquences micro-ondes. L'avantage de ces réseaux, c'est que l'on peut introduire une non-linéarité extrêmement forte pour ces photons en réduisant la taille des jonctions. Une petite jonction en série avec une chaîne homogène de grosses jonctions agit comme un qubit couplé à une ligne de transmission. La non-linéarité provient de la modulation de l'énergie du qubit par la charge électrique dans son environnement. Cette modulation est attribuée à des "sauts quantiques" de la différence de phase à la petite jonction. Comme l'énergie du qubit dépend de la charge, les sauts de phase quantiques couplent un photon quasi-résonant avec les photons de basse énergie. Avec un chercheur de l'Université de Yale, des chercheurs de l'Irig ont établi que ce couplage devient particulièrement efficace pour briser un photon résonant en un photon quasi-résonant accompagné de plusieurs photons de basse énergie.

Le temps de vie des photons a été mesuré dans plusieurs circuits supraconducteurs à l'Université du Maryland. La théorie, qui attribue la disparition des photons résonants aux sauts de phase quantiques, a permis à ces chercheurs d'interpréter les résultats pour des circuits caractérisés par une impédance de la ligne de transmission supérieure au quantum de résistance. En dehors de ce régime, d'autres processus entrent en compétition avec les sauts de phase quantiques. À ce jour, il n'existe pas de théorie pour en rendre compte. De ce point de vue, les expériences ont réalisé une "simulation quantique" d'un problème d'impureté quantique: le qubit couplé à son environnement. La photonique micro-ondes apparaît comme un domaine prometteur pour étudier d'autres systèmes quantiques complexes.

Références
Houzet H and Glazman LI
Critical fluorescence of a transmon at the Schmid transition.
Physical Review Letters, 2020.
Kuzmin R, Grabon N, Mehta N, Burshtein A, Goldstein M, Houzet M, Glazman LI and Manucharyan VE
Inelastic scattering of a photon by a quantum phase slip.
Physical Review Letters, 2021.