Nanofibre et atomes froids: une nouvelle plateforme quantique
Publié par Redbran le 27/05/2019 à 14:00
Source: CNRS INP

En utilisant quelques milliers d'atomes froids piégés à proximité d'une fibre optique, des physiciens ont créé pour la première fois un état atomique intriqué pouvant être stocké et lu ultérieurement sous la forme d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point...) unique guidé.

L'intégration d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) froids avec des guides 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.) nanoscopiques a suscité un vif intérêt ces dernières années, donnant ainsi naissance à un domaine 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 recherche scientifique désigne également le...) en plein essor: l'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme Lagrangien relativiste.) en guide d'ondes. De telles plateformes devraient permettre une intégration plus facile et de meilleures performances que celles des dispositifs en espace libre, aboutissant finalement à des technologies sur puce pour un futur Internet (Internet est le réseau informatique mondial qui rend accessibles au public des services variés comme le courrier électronique, la messagerie instantanée et le World...) quantique. De plus, le mariage atomes froids-nanophotonique ouvre de nouvelles directions pour l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) des interactions atome-photon, grâce aux paramètres inexplorés que cette approche peut offrir. En modifiant la structure du guide d'ondes, il est en effet possible d'augmenter l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact...) entre la 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 380nm (violet) à 780nm...) et les atomes en passage unique, ou encore de réaliser des interactions de portée accordable entre les atomes. Jusqu'à présent, les progrès expérimentaux ont toutefois été très limités en raison de la difficulté à marier ces deux mondes.

Des physiciens du Laboratoire Kastler Brossel (LKB, CNRS/Sorbonne Université/ENS Paris/Collège de France) décrivent une étape importante dans cette direction. L'équipe a utilisé une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) d'atomes de césium (Le césium est un élément chimique de symbole Cs et de numéro atomique 55.) piégés le long d'un guide d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) nanoscopique. Dans cette configuration, les chercheurs ont pu fabriquer et stocker une seule excitation atomique, comme dans une mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) quantique, et la lire ensuite à la demande sous la forme d'un photon unique guidé. Dans cette expérience, le guide est fabriqué à partir 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 océaniques de données. Elle offre un débit...) commerciale dont le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le...) a été réduit localement à 400 nanomètres. En raison de cette petite taille transversale, une grande partie de la lumière voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est...) à l'extérieur de la nanofibre dans un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) évanescent fortement focalisé sur 1 centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.). Ce champ permet de piéger environ 2000 atomes froids à 200 nm de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...). Cette technique de piégeage a été mise au point (Graphie) il y a quelques années, mais l'utiliser pour réaliser un dispositif quantique fonctionnel était une gageure expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de...). Initialement, tous les atomes sont préparés dans un seul niveau d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Ensuite, une impulsion d'écriture, un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient...) très atténué et hors de résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence...), illumine la fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.). La détection d'un photon diffusé par les atomes dans la fibre annonce la création d'une seule excitation collective partagée par l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de la chaîne atomique. Pour récupérer cette excitation, une impulsion de lecture peut alors être envoyée. Le couplage entre les atomes et le guide d'ondes permet la conversion de cette excitation en un photon unique qui se propage dans la fibre. Les performances obtenues dépassent déjà les valeurs de référence pour développer des versions rudimentaires de réseaux quantiques d'information.

Ce système trouve naturellement des applications pour les réseaux quantiques, car cette expérience fournit désormais un noeud quantique entièrement fibré (En mathématiques, un espace fibré est la donnée d'un espace topologique appelé espace total muni d'une projection continue sur un autre espace appelé base, telle que la préimage de chaque point soit...). Cette démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de...) ouvre également la voie à de nouvelles études dans ce système 1D, que ce soit pour l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) non-linéaire quantique et la simulation quantique.


En utilisant des réseaux 1D d'atomes de césium autour d'une nanofibre, des chercheurs du Laboratoire Kastler Brossel ont réalisé un état intriqué de plusieurs milliers d'atomes et ont réussi à lire cette superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité...) quantique sous la forme d'un photon unique guidé. © LKB (CNRS/Sorbonne Université/ENS Paris/Collège de France)


Image d'une nanofibre optique (en rouge) à l'intérieur d'une chambre à vide. Des atomes froids sont piégés autour de la fibre, à environ 200 nanomètres de la surface, et interfacés via la lumière guidée. Ces "atomes fibrés" constituent une plateforme intégrée pour les réseaux d'information quantique et un nouveau champ d'investigation pour l'électrodynamique (L'électrodynamique est la discipline physique qui étudie et traite des actions dynamiques entre les courants électriques.) quantique en guide d'onde. © N. V. Corzo, LKB (CNRS/Sorbonne Université/ENS Paris/Collège de France)

Référence:
Waveguide-coupled single collective excitation of atomic arrays,
Neil V. Corzo, Jérémy Raskop, Aveek Chandra (Le satellite Chandra est un télescope à rayons X. Il a été lancé en 1999 par la navette spatiale Columbia lors de la mission STS-93.), Alexandra S. Sheremet, Baptiste Gouraud et Julien Laurat, Nature, le 4 février 2019.

Contact chercheur:
Julien Laurat - Enseignant-chercheur au LKB
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