L’optique quantique devient Méta

Dans deux articles récents, deux groupes de recherche différents ont exploité les propriétés uniques des métasurfaces diélectriques ultrafines pour résoudre certains problèmes d’information et de communication quantiques.

Lors d’une démonstration, des chercheurs d’Australie, de Taïwan et des États-Unis se sont associés pour créer un «objectif de caméra» à métasurface à utiliser dans les mesures basées sur l’imagerie de l’état quantique d’un photon. D’autre part, un groupe basé en Israël a mis au point une métasurface capable d’enchevêtrer les états de spin et de moment angulaire orbital de photons individuels lorsque la lumière laser traverse la surface. Les deux équipes de recherche voient un important potentiel dans l'utilisation des surfaces diélectriques pour résoudre les problèmes d'optique quantique.

Compression radicale :

Les métasurfaces diélectriques sont des surfaces ultrafines de haute technologie, décorées de réseaux d'éléments de diffusion sous-longueur d'onde. Ces dernières années, ils ont été très médiatisé pour leur capacité à réduire radicalement la taille des éléments optiques en vrac tels que les lentilles. Les chercheurs à l'origine de la première étude, dirigée par Andrey Sukhorukov, membre de l'OSA de l'Université Nationale Australienne (ANU), voulaient voir s'ils pourraient utiliser les minuscules métasurfaces pour remplacer les éléments optiques diviseurs de faisceau volumineux, utilisés couramment dans les expériences permettant de réaliser une interférence quantique.

Pour y arriver, ils ont commencé par modéliser une métasurface constituée d'un réseau de «méta-gratings» nanométriques, imbriquées de manière à répartir les états de polarisation elliptique individuels d'un faisceau d'entrée en un réseau parallèle de faisceaux de sortie. Les sorties, tracées sur une sphère de Poincaré, peuvent être interprétées comme étant des «projections quantiques dans un espace de Hilbert multiphoton». Ainsi, selon l'équipe, la mesure des corrélations de photons entre les ports de sortie permet de reconstruire la matrice de densité quantique. Ainsi, selon l'équipe, la mesure des corrélations de photons entre les ports de sortie permet de reconstruire la matrice de densité quantique.

Obtenir une interférence quantique :

L’équipe a testé l’idée en utilisant des méthodes de fabrication de semi-conducteurs standard pour façonner des métasurfaces en silicium sur verre à partir de la modélisation numérique. Ils ont ensuite envoyé des photons uniques annoncés (créés en utilisant une conversion descendante paramétrique spontanée, SPDC) avec différents états de polarisation linéaire à travers la surface, capturant les faisceaux de photons diffractés via une interface couplée par fibre à des détecteurs à photon unique.

L’équipe a constaté que le système permettait à l’état préparé de polarisation quantique du faisceau initial - incluant l'amplitude, la phase, la cohérence et l'intrication quantique – d’être reconstruit à partir des faisceaux de sortie dispersés avec une fidélité de 95%. Dans une expérience séparée, l'équipe a pu utiliser la configuration de métasurface pour réaliser et mesurer l'interférence quantique entre plusieurs photons.

Un «objectif de caméra» quantique :

Les chercheurs pensent que ces capacités pourraient être utilisées dans divers domaines, notamment les communications en espace libre et l’imagerie quantique. Selon les chercheurs, l'un des points forts du système est qu'il permet de récolter des corrélations de photons et des mesures d'état quantique en utilisant uniquement des détecteurs à un seul photon, insensibles à la polarisation.

Représentation artistique de la métasurface conçue par l’ANU pour les mesures quantiques et les interférences. [Image: Kai Wang, ANU]

En effet, l'équipe suggère que la combinaison de la métasurface avec des caméras CCD sensibles à un photon pourrait permettre d’obtenir des images d'états quantiques sur plusieurs périodes. La métasurface est donc analogue à une «lentille de caméra» quantique pour permettre des mesures rapides, basées sur l'imagerie des états quantiques.

Outre Sukhorukov, l'équipe de recherche comprenait d'autres scientifiques de l'ANU, de l'Université de New South Wales et de l'Université de technologie de Sydney, en Australie; l'Université centrale nationale de Taiwan; et le laboratoire national Oak Ridge, États-Unis.

Enchevêtrement via métasurface :

Dans un lot d'expériences séparé, un groupe de recherche du Technion à Haïfa, en Israël, dirigé par les boursiers de l'OSA Erez Hasman et Mordechai Segev, a examiné la manière dont les métasurfaces pourraient servir à générer et à suivre l'enchevêtrement de l’état quantique du photon de manière utile au traitement de l'information quantique. Les travaux de l’équipe ont porté sur l’interaction entre le spin et le moment angulaire orbital (OAM) gravés sur des photons individuels via l’action de la métasurface.

Technion Ph.D. Les étudiants Elhanan Maguid et Dikla Oren sont coauteurs d'une étude sur l'utilisation de métasurfaces pour créer un enchevêtrement de photons uniques et multiples. [Image: Technion]

Les chercheurs du Technion ont utilisé des étapes de fabrication CMOS conventionnelles pour créer une métasurface à phase géométrique à base de silicium. La surface consiste en un réseau d’antennes anisotropes «conçues pour fonctionner comme des demi-plaques d’onde nanométriques». Les structures confèrent un retard local dans la phase géométrique de la lumière qui la traverse (voir «Contrôle de la lumière avec des hologrammes à phase géométrique», OPN, février 2016).

Dans un modèle élégant, l’équipe a soigneusement ajusté l’orientation des structures de la métasurface pour séparer simultanément les composantes du moment cinétique de la lumière (polarisation circulaire) et pour ajouter une quantité de moment angulaire orbital dépendant du signe de l’état de spin. Le résultat était une métasurface pouvant prendre un photon d'entrée zéro-OAM polarisé linéairement et le transformer en un photon de sortie avec des états de spin et OAM enchevêtrés au maximum, non nuls.

La nanophotonique à la rencontre de l'optique quantique :

L'équipe a testé la surface en envoyant un faisceau laser à travers un cristal non linéaire qui scindait des photons individuels en de nouvelles paires de photons. Ils ont ensuite passé un flux de photons appariés à travers la métasurface et ont confirmé, par tomographie quantique, que l'interaction avec la métasurface avait entraîné l'enchevêtrement des états OAM et Moment angulaire du spin dans des photons individuels. Enfin, ils ont fait passer des paires de photons créés dans le cristal non linéaire à travers la métasurface – et établit établi que le spin dans un photon était enchevêtré avec l'OAM dans l'autre, et vice versa.

Les chercheurs du Technion estiment que la possibilité d'utiliser des métasurfaces pour manipuler l'enchevêtrement de cette manière pourrait ouvrir des pistes pour l'application de la nanophotonique aux systèmes d'information quantiques du futur. «Nos résultats, concluent-ils, montrent que les métamatériaux conviennent à la génération et à la manipulation d'états de photons enchevêtrés, en introduisant le domaine des métamatériaux d'optique quantique».

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