Dans un échantillon de photons indiscernables, à quel point sont-ils indiscernables ? Une équipe internationale de scientifiques a maintenant répondu à cette question en effectuant la première mesure précise de l'indiscernabilité multiphotonique. En utilisant un type innovant d'interféromètre optique basé sur des guides d'ondes interconnectés, l'équipe a montré qu'il est possible de vérifier à la fois les performances des sources de photons uniques et la génération d'états multiphotons dans les expériences d'optique quantique - un membre de l'équipe de réalisation Andréa Crespi décrit comme ajoutant "un élément supplémentaire à la boîte à outils de l'expérimentateur en optique quantique".
Dans le monde quotidien régi par la physique classique, nous pouvons toujours trouver des moyens de dire quel objet macroscopique est lequel, même si de nombreux objets semblent superficiellement identiques. Dans le monde quantique, cependant, les particules peuvent être identiques dans un sens profond, explique Crespi, physicien au Université polytechnique de Milan, Italie. Cela rend vraiment impossible de distinguer une particule d'une autre et conduit à des comportements ondulatoires tels que des interférences.
Ces comportements inhabituels font des photons identiques une ressource clé dans les technologies quantiques optiques. En informatique quantique, par exemple, ils forment la base des qubits, ou bits quantiques, utilisés pour effectuer des calculs. Dans la communication quantique, ils sont utilisés pour envoyer des informations sur des réseaux quantiques à grande échelle.
Prouver une véritable indiscernabilité
Pour vérifier si deux photons sont indiscernables, les chercheurs les envoient généralement à travers un interféromètre dans lequel deux canaux, ou guides d'ondes, sont si proches que chacun des photons peut traverser l'un ou l'autre. Si les deux photons sont parfaitement indiscernables, ils se retrouvent toujours ensemble dans le même guide d'onde. Cependant, cette technique ne peut pas être utilisée pour de plus grands ensembles de photons, car même si elle était répétée pour toutes les combinaisons possibles de deux photons, elle ne serait toujours pas suffisante pour caractériser complètement l'ensemble multiphoton. C'est pourquoi la "véritable indiscernabilité" - un paramètre qui quantifie la proximité d'un ensemble de photons par rapport à cet état idéal et identique - est si difficile à mesurer pour plusieurs photons.
Dans le nouveau travail, des chercheurs de Milan et de la Université de Rome "La Sapienza" en Italie; la Conseil italien de la recherche; la Centre de Nanosciences et Nanotechnologies à Palaiseau, France; et la société d'informatique quantique photonique Quandela construit un "test d'indiscernabilité" pour quatre photons. Leur système consistait en une plaque de verre dans laquelle ils avaient imprimé huit guides d'ondes à l'aide d'une technique d'écriture au laser. À l'aide d'une source de points quantiques à semi-conducteurs, ils ont envoyé à plusieurs reprises les photons dans les guides d'ondes, puis ont enregistré ceux qui étaient occupés par un photon.
Ensuite, ils ont utilisé un microchauffeur pour réchauffer l'un des guides d'ondes contenant un photon. L'augmentation de la température a modifié l'indice de réfraction du guide d'onde, induisant un changement de phase optique du photon et le faisant sauter vers un autre des sept guides d'onde grâce à des effets d'interférence.
L'expérience a montré que l'amplitude des oscillations entre guides d'ondes pouvait être utilisée pour déterminer le véritable paramètre d'indiscernabilité, qui est un nombre compris entre 0 et 1 (1 correspondant à des photons parfaitement identiques). Dans leur expérience, ils ont calculé une indiscernabilité de 0.8.
"Dans le cas de n photons, le concept de véritable indiscernabilité quantifie de la manière la plus authentique à quel point il est impossible de distinguer ces particules et il est lié à l'ampleur des effets d'interférence quantique collective », explique Crespi. "Notre technique pour mesurer cette quantité est basée sur un nouveau type d'interféromètre conçu pour donner, à sa sortie, des effets d'interférence inhabituels qui" distillent "l'indiscernabilité réelle collective de l'ensemble complet des n photons en ce qui concerne l'indiscernabilité des sous-ensembles partiels.
Outils pour l'optique quantique
Bien que la technique puisse fonctionner avec plus de quatre photons, le nombre de mesures nécessaires pour observer les variations d'indiscernabilité augmente de façon exponentielle avec le nombre de photons. Ce ne serait donc pas pratique pour 100 photons ou plus, ce qui est probablement le nombre requis pour un futur ordinateur optique. Cela dit, Crespi dit qu'il pourrait être utilisé dans des expériences d'optique quantique dans lesquelles les scientifiques doivent savoir si les photons sont indiscernables ou non.
Le mur d'interférence capture des photons uniques
« L'indiscernabilité réelle est un paramètre crucial qui renseigne sur la qualité d'une source multiphotonique et détermine comment ces n les photons pourraient être utilisés dans des états d'information complexes », dit-il Monde de la physique. "Pour développer des technologies fiables qui démontrent des avantages quantitatifs pour le processus et le transfert d'informations quantiques, il est essentiel non seulement de développer de bonnes sources, mais également de développer des méthodes pour caractériser et quantifier la qualité de ces ressources."
Membre de l'équipe Sarah Thomas, qui est maintenant postdoctorant en optique quantique à Imperial College London, Royaume-Uni, indique que la méthode pourrait être utilisée pour quantifier la qualité de l'état des ressources pour des expériences telles que l'échantillonnage Boson. "Un tel outil de caractérisation sera utile pour comprendre les limites actuelles de la construction d'états multiphotons et l'implication que cela a sur les interférences quantiques, et donc potentiellement trouver des voies pour améliorer ces états de ressources", dit-elle.
Selon les chercheurs, leur dispositif innovant leur permet d'observer directement des effets d'interférence particuliers qui pourraient ouvrir de nouvelles voies à la recherche fondamentale sur les interférences quantiques multiparticules, même au-delà de la photonique. "Nous pourrions explorer les implications de ces effets dans la métrologie quantique - c'est-à-dire pour l'estimation améliorée des quantités physiques au moyen d'effets activés par le quantum", révèle Thomas.
Le présent travail est détaillé dans Examen physique X.
