Commutateurs quantiques et guides d'ondes à un seul photon

Ces commutateurs quantiques seront la base de réseaux et de communications quantiques. Les scientifiques du projet QUSWITCH («A quantum switch for light»), financé par l'UE, ont exploré la possibilité de contrôler par un seul atome le port de sortie de la lumière incidente. Ils ont conçu le commutateur comme un microrésonateur optique, c'est-à-dire une cavité formée d'un milieu optique entouré de surfaces réfléchissantes.

Le microrésonateur en forme de bouteille fonctionnait en mode de galerie à chuchotements. Ceci permet un couplage tel qu'un seul atome peut modifier totalement les propriétés de transmission du résonateur. L'entrée et la sortie de la lumière se font par des fibres optiques biseautées à très faibles pertes.

Les scientifiques ont d'abord travaillé pour insérer un seul atome de rubidium 85 et détecter sa présence à environ 100 nm de la surface du résonateur. Avec ce système de contrôle, ils ont commencé à étudier le couplage entre l'atome et le résonateur, via des méthodes spectrales. Incidemment, ils ont constaté qu'en contradiction avec la théorie et les prévisions acceptées, l'atome n'émettait de la lumière que dans une seule direction, à cause du confinement important de la lumière. Ceci a conduit à la démonstration expérimentale de nouveaux guides d'ondes optiques, à l'échelle nanométrique. Par exemple, les scientifiques ont créé un commutateur optique intégré à la fibre, dans lequel un seul atome contrôle le port de sortie dans le cadre d'un microrésonateur en mode de galerie à chuchotements.

En outre, la nature non linéaire du couplage entre l'atome et le résonateur permet d'utiliser le nombre de photons pour effectuer des fonctions différentes. L'équipe a ainsi pu router deux photons arrivant simultanément vers deux ports différents.

Les scientifiques ont aussi utilisé le fait qu'en fonction du nombre de photons incidents, le résonateur génère un déphasage différent de la lumière en sortie le long de la fibre de couplage. Ils ont ainsi réalisé l'intrication de deux photons incidents.

Les expériences du projet QUSWITCH ont montré un nouveau type d'interaction entre la lumière et la matière. Il ouvre la voie à de nouveaux dispositifs photoniques microscopiques et intégrés, et à des méthodes de détection optique. L'interaction extrêmement forte entre les deux photons est la base d'applications pratiques de portes quantiques déterministes et du traitement de l'information. Le projet a donc apporté de nouvelles connaissances fondamentales, importantes pour des utilisations futures et innovantes.