Information quantique : Weizmann (Israël) réussit à arracher un unique photon à une impulsion de lumière

[:fr]Des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences (Israël) ont réussi à ‘arracher’ un unique photon (une particule de lumière) à une impulsion de lumière. Les résultats de cette recherche ont une importance à la fois théorique et pratique : en effet, la lumière est actuellement à la base des systèmes de communication, et les photons isolés seront probablement les piliers des systèmes de communication quantique de l’avenir. De plus, selon les chercheurs, les méthodes qu’ils ont mises au point encourageront de nouvelles recherches sur la nature corpusculaire de la lumière.

Le Dr Barak Dayan, qui dirige le groupe d’optique quantique de l’Institut Weizmann, explique : « Lorsque nous serons passés à la communication quantique, l’information devra être codée en photons. Chaque photon représentera un unique qubit, c’est-à-dire un bit quantique qui peut exister dans plus d’un état à la fois (par exemple une combinaison égale de 1 et 0). »

Le Dr Dayan et son groupe de recherche sous la direction du Dr Serge Rosenblum et d’Orel Bechler ont mis en place une méthode pour extraire d’un flux, sur demande, un unique photon de manière contrôlée. Le système repose sur un effet physique qu’ils appellent ‘interaction Raman de photon unique’, ou encore SPRINT, qui est basé sur un atome unique, ou sur un système imitant un atome. Selon le docteur Dayan, l’avantage de SPRINT est qu’il est complètement passif, il ne demande pas de champ de contrôle, mais seulement une interaction entre l’atome et une impulsion optique. Dans une recherche antérieure, lui-même et son groupe ont utilisé SPRINT comme commutateur de photons uniques pour les expédier le long de différentes voies, et ils ont ainsi réussi à transformer le commutateur en routeur photonique. Dans ce travail, l’atome devient une sorte de piège plutôt qu’un commutateur, arrachant un photon du flux, puis retournant à l’état précédent. Le docteur Dayan explique : « Il n’était pas évident qu’on puisse avoir un mécanisme qui continue à fonctionner même dans des flux élevés de photons, ni qu’on réussisse à en sortir exactement un photon unique. »

L’existence des photons avait été suggérée par Albert Einstein en 1905, mais la plupart de leurs propriétés viennent seulement d’être expliquées. Le Dr Dayan estime que sa nouvelle méthode va permettre d’étendre la possibilité de les étudier et de les contrôler en tant de particules individuelles.

Lire la suite dans Israël Science Info N°18 (magazine papier)

Publication in Nature Photonics, 23 nov. 2105
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At the Weizmann Institute of Science, researchers have managed to “pluck” a single photon – one particle of light – out of a pulse of light. The findings of this research bear both fundamental and practical significance: Light is the workhorse of today’s communication systems, and single photons are likely to be the backbone of future quantum communication systems. In addition, say the scientists, the apparatus they have devised will spur further research into the fundamental particle nature of light.

“Once we move over to quantum communication, information will have to be encoded in single photons,” says Dr. Barak Dayan, head of the Weizmann Institute Quantum Optics group. “Each photon will then represent a single ‘qubit’ – a quantum bit that can exist in more than one state at the same time (for example, an equal combination of both 1 and 0).”

Dayan and his research team, led by Dr. Serge Rosenblum and Orel Bechler, set out to demonstrate a scheme for pulling just one photon out of a stream, on demand. Their mechanism relies on a physical effect that they call single-photon Raman interaction, or SPRINT, which is based on a single atom, or atom-like system. “The advantage of SPRINT,” says Dayan, “is that it is completely passive – it does not require any control fields, just the interaction between the atom and the optical pulse.” In previous research, he and his team had employed SPRINT as a switch for single photons that sent them down different pathways, effectively turning the apparatus into a photonic router. In this work, the atom becomes a tap rather than a switch, snatching one photon from the flow and then turning itself off. “It is not trivial,” says Dayan, “to have a mechanism that continues to function even in high fluxes of photons and to remove just one photon.”

The experimental setup of Weizmann’s quantum optics group relies on state-of-the-art technologies: laser cooling and trapping of atoms (in this case rubidium), the fabrication of chip-based, ultrahigh-quality glass microspheres, and optical nanofibers.

“The ability to divert a single photon from a flow could be harnessed for various tasks,” says Dayan, “from creating nonclassical states of light that are useful for basic scientific research, through eavesdropping on imperfect quantum-cryptography systems that rely on single photons, to increasing the security of your own quantum-communication systems.

The existence of photons was first suggested by Einstein in 1905, yet many of their properties are just now coming to light. Dayan believes their new method will expand our capabilities to study and control them as individual particles.

Publication in Nature Photonics, Nov. 23th 2015

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