L'équipe de recherche synchronise des photons uniques en utilisant une mémoire quantique atomique.

30 juillet 2023 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Un défi de longue date dans le domaine de la physique quantique est la synchronisation efficace de photons individuels et générés indépendamment (c'est-à-dire des particules de lumière). Réaliser cela aurait des implications cruciales pour le traitement de l'information quantique qui repose sur les interactions entre plusieurs photons. 

Récemment, des chercheurs de l'Institut Weizmann des Sciences ont démontré la synchronisation de photons uniques générés indépendamment en utilisant une mémoire quantique atomique fonctionnant à température ambiante. Leur étude, publiée dans Physical Review Letters, pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour l'étude des états de multiphoton et leur utilisation dans le traitement de l'information quantique.

"L'idée du projet est apparue il y a plusieurs années, lorsque notre groupe et le groupe de Ian Walmsley ont démontré une mémoire quantique atomique avec un schéma de niveau atomique inversé par rapport aux mémoires typiques - la mémoire en échelle rapide, appelée fast ladder memory (FLAME)", a déclaré Omri Davidson, l'un des chercheurs qui ont mené l'étude, à Phys.org. "Ces mémoires sont rapides et sans bruit, et donc elles sont utiles pour la synchronisation de photons uniques".

La computation quantique photonique et d'autres protocoles d'information quantique reposent sur la génération réussie d'états multi-photons. Comme la plupart des sources quantiques utilisées dans la recherche jusqu'à présent sont probabilistes, elles ne conviennent pas pour générer des états multi-photons à un taux raisonnable.

Dans le cadre de leur étude récente, Davidson et ses collègues ont cherché à explorer la possibilité de réaliser ces états en utilisant une mémoire quantique atomique, des dispositifs capables de stocker les états quantiques des photons tout en conservant les informations quantiques qu'ils portent. Leur prédiction était que leur mémoire quantique atomique serait capable de stocker des photons générés de manière probabiliste et de les libérer à la demande pour générer un état multi-photon.

"L'objectif de la recherche actuelle était de démontrer la synchronisation de photons uniques en utilisant une mémoire quantique atomique indépendante à température ambiante pour la première fois", a déclaré Davidson. "Pour y parvenir, nous avons dû reconstruire la mémoire avec plusieurs améliorations, ainsi que construire une source de photons uniques qui peut s'interfacer efficacement avec la mémoire. Enfin, nous avons réussi à démontrer la synchronisation réelle des photons, qui a interféré les modules de source de photons et de mémoire, avec des électroniques de contrôle appropriées pour l'expérience".

FLAME, la mémoire quantique utilisée par les chercheurs et développée dans le cadre de leurs recherches précédentes, repose sur un schéma de niveau atomique inversé, appelé schéma en échelle. Comparé aux mémoires à l'état fondamental conventionnelles, qui sont généralement lentes et sensibles aux bruits, FLAME est à la fois rapide et sans bruit, mais il ne peut stocker les informations que pour de courtes périodes de temps. Comme la vitesse et l'absence de bruit sont des propriétés essentielles pour la synchronisation de photons uniques, leur espoir était qu'il leur permettrait de générer des états quantiques à plusieurs photons.

"Le deuxième avantage de notre schéma en échelle spécifique dans les atomes de rubidium est le faible décalage de longueur d'onde des transitions des champs lumineux de signal et de contrôle", a expliqué Davidson. "Cela permet une durée de vie de mémoire relativement longue par rapport à d'autres schémas en échelle avec un plus grand décalage de longueur d'onde, en raison d'un élargissement Doppler biphotonique plus petit. Enfin, nous avons généré les photons en utilisant la même structure de niveau atomique que notre mémoire, ce qui permet un couplage efficace des photons avec la mémoire".

Les nombreux avantages du schéma de mémoire FLAME de l'équipe ont contribué collectivement au succès de leur expérience, leur permettant de synchroniser des photons individuels à un taux élevé. Grâce à leur mémoire quantique atomique, ils ont pu stocker et récupérer des photons uniques avec une efficacité de bout en bout de ηe2e=25% et une antibunching finale de g(2)h=0.023, atteignant un taux de plus de 1 000 paires de photons synchronisés par seconde.

G (2) h, ou antibunching des photons, est une mesure de la "singularité" des photons individuels. Les photons uniques parfaits ont g(2)h= 0, tandis que la lumière classique a g(2)h= 1. Ainsi, avec g(2)h= 0.023, les photons synchronisés par les chercheurs restent presque des photons uniques parfaits, grâce au fonctionnement sans bruit de la mémoire.

'We were able to synchronize photons that are compatible with atomic systems at high rate,' Davidson said. 'Photons that are compatible with atoms are important for many photonic quantum information protocols, such as a deterministic two-qubit entangling gate. Previous photon synchronization demonstrations either used broadband photons which are not compatible with atomic systems, or photons that are compatible with atomic systems with extremely low rates.'

The photon synchronization rate that Davidson and his colleagues attained in their experiments is more than 1,000 times better than previous demonstrations using photons that are compatible with atomic systems. Their work opens new avenues for the study of interactions between multi-photon states and atoms, such as so-called deterministic two-photon entangling gates. In the future, it could have valuable implications both for the realization of quantum information processing and quantum optics systems.

'We are currently exploring two research paths,' Davidson added. 'The first is to achieve strong photon-photon interactions with rubidium atoms, in a similar system to the one used for synchronization. Achieving this goal will enable us to demonstrate a deterministic entangling gate between the synchronized single-photons.

'These gates are an important component in photonic quantum computation, as they enable to reduce the resource overhead over currently pursued methods (called linear-optics quantum computation). To date, these gates were only demonstrated with cold atoms setups, and not hot atoms, which limits the scalability of these systems.'

In their next studies, Davidson and his colleagues also plan to further develop their FLAME memory, allowing it to store a photonic qubit (i.e., a photon in a quantum superposition of two polarization states), rather than only storing individual photons in one polarization state. This could ultimately allow them to perform quantum computations using photons.

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