Les photons des émetteurs de points quantiques violent l’inégalité de Bell dans une nouvelle étude

Une nouvelle étude en Physique de la nature présente une nouvelle méthode de génération d’intrication quantique à l’aide d’un point quantique, qui viole l’inégalité de Bell. Cette méthode utilise des niveaux de puissance ultra-faibles et pourrait ouvrir la voie à des technologies quantiques évolutives et efficaces.

L’intrication quantique est une condition nécessaire aux technologies informatiques quantiques. Dans ce phénomène, les qubits (bits quantiques), les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques, deviennent corrélés quelle que soit leur distance physique.

Cela signifie que si la propriété d’un qubit est mesurée, elle affecte l’autre. L’intrication quantique est vérifiée par l’inégalité de Bell, un théorème qui teste la validité de la mécanique quantique en mesurant les qubits intriqués.

Phys.org s’est entretenu avec le premier auteur de l’étude, le Dr Shikai Liu, de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague au Danemark. L’intérêt du Dr Liu pour les points quantiques est né de ses travaux antérieurs sur les sources d’intrication traditionnelles.

Il a déclaré à Phys.org : « Pendant mon doctorat, j’ai travaillé sur la génération de sources lumineuses intriquées en utilisant la conversion paramétrique spontanée (SPDC). Cependant, la faible non-linéarité intrinsèque des cristaux massifs rendait difficile l’utilisation complète des photons de pompage. La non-linéarité géante au niveau du photon unique des points quantiques a retenu mon attention et m’a conduit à cette recherche. »

L’inégalité de Bell

Comme mentionné précédemment, le cœur de cette recherche est l’inégalité de Bell. Proposée par le physicien John Stewart Bell en 1964, cette expression mathématique permet de distinguer le comportement classique du comportement quantique.

Dans le monde quantique, les particules peuvent présenter des corrélations plus fortes que ce qui est possible dans le monde classique. L’inégalité de Bell fournit un seuil : si les corrélations dépassent ce seuil, la nature des corrélations est quantique, ce qui implique une intrication quantique.

Le Dr Liu a expliqué : « L’inégalité de Bell distingue les corrélations classiques et quantiques. Toute théorie réaliste locale doit satisfaire à la condition suivante : toutes les corrélations mesurées entre les particules doivent être inférieures ou égales à deux. »

Les chercheurs ont utilisé ces données pour établir la validité de leur expérience et déterminer si le dispositif qu’ils ont construit produisait une intrication quantique. Le dispositif lui-même était basé sur des points quantiques et des guides d’ondes.

Des atomes artificiels sur une puce

Les points quantiques sont des structures nanométriques qui se comportent comme des atomes artificiels. Il s’agit essentiellement de puces semi-conductrices conçues pour piéger des excitons neutres dans leur structure.

En piégeant des excitons neutres dans un espace réduit, ces derniers présentent des états d’énergie quantifiés comme lorsqu’ils sont confinés dans des atomes. C’est pourquoi on dit que les points quantiques se comportent comme des atomes artificiels.

Ces points quantiques fonctionnent comme des systèmes à deux niveaux, similaires aux atomes naturels, mais avec l’avantage d’être intégrés dans une puce. De plus, les niveaux d’énergie peuvent être ajustés, déterminés par la taille et la composition du point quantique.

Les systèmes à points quantiques peuvent agir comme des systèmes émetteurs, ce qui signifie qu’ils peuvent émettre des photons uniques avec une grande efficacité. Dans certaines conditions, les photons émis peuvent s’intriquer.

Couplage avec un guide d’ondes

Pour améliorer l’efficacité, la cohérence et la stabilité des photons émis par le point quantique, les chercheurs l’ont couplé à un guide d’ondes à cristal photonique.

Ces matériaux présentent une structure périodique alternant des matériaux à indice de réfraction élevé et faible. Cela permet à la lumière d’être guidée à travers une structure tubulaire, aussi fine qu’un cheveu humain.

Les guides d’ondes permettent donc de contrôler et de manipuler la propagation de la lumière en termes de direction et de longueur d’onde, améliorant ainsi les interactions lumière-matière.

Cependant, obtenir un couplage efficace entre le guide d’ondes et le point quantique pose des défis importants.

« Pour améliorer l’interaction lumière-matière, nous avons fabriqué un guide d’ondes à cristal photonique qui assure un confinement solide du point quantique », explique le Dr Liu. « Cela a conduit non seulement à une efficacité de couplage élevée de la lumière émise dans le guide d’ondes (supérieure à 90 %), mais aussi à une amélioration de Purcell de 16 en ralentissant la lumière dans la nanostructure et en augmentant son temps d’interaction avec le point quantique. »

L’amélioration de Purcell fait référence au phénomène où le taux d’émission spontanée d’un émetteur quantique (tel qu’un point quantique) augmente lorsqu’il est placé dans une cavité optique résonante ou à proximité d’un environnement photonique structuré.

En termes plus simples, l’amélioration Purcell augmente l’émission de lumière des émetteurs quantiques en les plaçant dans des environnements qui amplifient leur interaction avec la lumière. Cela fonctionne en modifiant le nombre de façons différentes dont la lumière peut être émise dans la zone autour de l’émetteur.

Violation de l’inégalité de Bell

L’équipe a également dû faire face à un déphasage rapide (perte de cohérence rapide) induit par les vibrations thermiques dans le réseau cristallin. Ces vibrations perturbent les états quantiques stables des particules, ce qui rend plus difficile le maintien et la mesure précise de leurs propriétés quantiques.

Leur solution a consisté à refroidir la puce à une température glaciale de -269 °C pour minimiser les interactions indésirables entre le point quantique et les phonons dans le matériau semi-conducteur.

Une fois leur système d’émetteur à deux niveaux mis en place pour produire les photons intriqués, les chercheurs ont utilisé deux interféromètres Mach-Zehnder non équilibrés pour effectuer le test d’inégalité de Bell CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt). Le CHSH est une forme de l’inégalité de Bell.

En réglant soigneusement les phases de l’interféromètre, les chercheurs ont mesuré l’interférence de Franson entre les photons émis. L’interférence de Franson est un type de motif d’interférence observé dans les expériences d’optique quantique impliquant des photons intriqués.

« Le paramètre S observé de 2,67 ± 0,16 dans nos mesures est significativement supérieur à la limite de localité de 2. Ce résultat a confirmé la violation de l’inégalité de Bell, validant ainsi l’état intriqué énergie-temps généré via notre méthode », a déclaré le Dr Liu.

Cette violation est cruciale car elle confirme la nature quantique des corrélations entre les photons.

Efficacité énergétique et travail du futur

L’une des caractéristiques remarquables de leur configuration d’émetteur à deux niveaux est son efficacité énergétique.

L’intrication a été générée à des puissances de pompage aussi faibles que 7,2 picowatts, soit environ 1 000 fois moins que les sources à photon unique traditionnelles. Ce fonctionnement à très faible consommation, combiné à l’intégration sur puce, rend la méthode très prometteuse pour les technologies quantiques pratiques.

Le Dr Liu envisage plusieurs directions passionnantes pour les recherches futures. « L’une d’entre elles consiste à explorer les états quantiques photoniques complexes et les interactions à plusieurs corps par diffusion inélastique sur plusieurs émetteurs à deux niveaux », a-t-il suggéré. « De plus, une intégration plus poussée de notre méthode dans des circuits photoniques compatibles facilitera davantage de fonctionnalités avec un encombrement réduit, améliorant ainsi les applications quantiques photoniques polyvalentes impliquant l’informatique, la communication et la détection. »

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