L'enchevêtrement de photons ravivé pourrait améliorer la communication et l'imagerie quantiques

L'enchevêtrement de photons ravivé pourrait améliorer la communication et l'imagerie quantiques   

Horodatage: 8 janvier 2023 10:24 AM

Illustration de la renaissance de l'enchevêtrement
Perte et renaissance : illustration artistique de l'enchevêtrement de position angulaire mesuré par Anand Jha et ses collègues. (Avec l'aimable autorisation de Anand Jha)

Des chercheurs en Inde ont montré que l'enchevêtrement de photons dans une certaine base variable continue se ranime lorsque les photons se propagent loin de leur source. Cette découverte pourrait s'avérer utile pour transmettre en toute sécurité des informations quantiques sur de longues distances et pour l'imagerie quantique dans des milieux turbulents.

L'intrication quantique entre les photons est largement explorée par les physiciens, souvent dans le but de développer de nouvelles technologies quantiques pour l'informatique, la communication, la détection et l'imagerie. Certaines applications potentielles nécessitent d'envoyer des photons intriqués sur de longues distances ou à travers des environnements turbulents sans perte. Cependant, il est actuellement très délicat de préserver certains types d'intrication dans ces circonstances - et le succès peut dépendre de nombreux facteurs, notamment de la manière dont l'information quantique est codée dans les photons.

Maintenant Anand Jha et collègues du Laboratoire d'optique quantique et d'intrication à l'Institut indien de technologie de Kanpur ont fourni une solution possible en utilisant les positions angulaires des photons pour coder l'information. Ils ont observé que l'intrication semble disparaître au fur et à mesure que les photons se propagent, mais réapparaît étrangement. Ils ont également montré que la renaissance de l'intrication se produit même après que les photons aient traversé l'air turbulent, ce qui détruirait normalement l'intrication. Ils décrivent leurs recherches dans Science Advances.

Enchevêtrement de photons

Les photons ont de nombreux degrés de liberté différents qui peuvent être utilisés pour coder des informations quantiques. Le choix dépend du type d'information à encoder. Pour les qubits, des propriétés discrètes telles que la polarisation ou le moment cinétique orbital d'un photon peuvent être utilisées. Mais parfois, notamment à des fins de détection et d'imagerie, il est préférable d'encoder les informations quantiques de manière plus continue. Dans de telles applications, la propriété intriquée la plus explorée – ou « base » – est la position d'un photon donnée par ses coordonnées cartésiennes.

Le phénomène d'intrication quantique confère aux particules une relation plus étroite que celle autorisée par la physique classique et est indépendante de la base particulière utilisée pour coder l'information quantique. Cependant, la manière dont l'intrication est utilisée ou mesurée dans une expérience peut ne pas être indépendante de la base. Cela s'applique à un « témoin » d'intrication, qui est une quantité mathématique qui détermine si un système est intriqué. Les témoins dépendent de la base pour les bases continues et cette dépendance signifie que certains types d'intrication continue peuvent être plus utiles que d'autres.

Pour la base position-impulsion, l'intrication, vue à travers le témoin, s'éteint très rapidement lorsque les photons se propagent loin de leur source. Pour contourner ce problème, les scientifiques imaginent généralement la source elle-même pour utiliser l'intrication entre les photons. Toute turbulence sur le chemin détruit également rapidement l'enchevêtrement, nécessitant des solutions complexes comme l'optique adaptative pour le raviver. Ces étapes correctives supplémentaires limitent l'utilité de ces photons intriqués.

Cette dernière recherche de Jha et ses collègues explore comment l'intrication peut être préservée en utilisant une base alternative étroitement liée - la position angulaire d'un photon.

Generating, losing and reviving entanglement

Dans leur expérience, les chercheurs ont généré des photons intriqués en envoyant la lumière d'un laser "pompe" haute puissance dans un cristal non linéaire. Dans des conditions où les énergies et les impulsions des photons sont conservées, un photon de pompe produira deux photons intriqués dans un processus appelé conversion descendante paramétrique spontanée (SPDC). Les deux photons sont intriqués dans toutes leurs propriétés. Si un photon est détecté à un endroit, par exemple, la position de l'autre photon intriqué est automatiquement déterminée. La corrélation existe également pour d'autres quantités, telles que le moment, la position angulaire et le moment angulaire orbital.

Vu à travers le témoin sans aucune mesure corrective, les chercheurs ont observé que l'intrication de position entre les photons disparaît après environ 4 cm de propagation. D'un autre côté, quelque chose d'intéressant se produit pour l'intrication en position angulaire. Il disparaît après environ 5 cm de propagation, mais après que les photons ont parcouru encore 20 cm, l'intrication réapparaît (voir figure). Les chercheurs ont corroboré qualitativement leurs résultats expérimentaux avec un modèle numérique.

La même tendance a été observée lorsque l'équipe a créé un environnement turbulent sur la trajectoire des photons intriqués. Cela a été fait à l'aide d'un radiateur soufflant pour remuer l'air et modifier son indice de réfraction. Dans ce cas, l'enchevêtrement a été ravivé après que la lumière se soit propagée sur une distance plus longue d'environ 45 cm.

On ne sait pas encore exactement ce qui fait réapparaître l'intrication dans la base de position angulaire. La base est spéciale car elle s'enroule après un cercle complet. C'est l'un de ses facteurs distinctifs, selon Jha.

Même si l'étude démontre une robustesse sur des distances inférieures à un mètre, Jha et ses collègues affirment que la renaissance est également possible sur des distances kilométriques. Cela pourrait permettre de transmettre des informations quantiques à travers la turbulence atmosphérique sans détruire l'intrication. La robustesse à travers la turbulence pourrait également permettre l'imagerie quantique d'objets dans des environnements biochimiques flous avec une invasion ou une destruction minimale.

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