Un dispositif d’imagerie permettant la résolution spatiale et temporelle du phénomène d’interférence quantique

Résultat scientifique Photonique

Une équipe de l'Institut FEMTO-ST a développé un interféromètre qui permet d'exploiter la grande dimensionnalité spatio-temporelle de milliers de paires de photons intriqués. Leurs travaux, qui ouvrent la voie au développement de protocoles d'information quantique à très haute dimension, sont publiés dans la revue Physical Review X.

Envoyés sur un cristal, les photons d'un faisceau laser peuvent se diviser en paires de photons de fréquences plus basses : c’est le phénomène d’émission paramétrique spontanée. Ces photons jumeaux, ou intriqués, forment en fait un seul objet quantique. Par conséquent, s’ils sont envoyés sur un séparateur de faisceau, ils sortent de façon aléatoire, mais tous deux sur le même port de sortie. Cette expérience d'interférence quantique à deux photons, dite interférence HOM (Hong-Ou-Mandel), du nom de ses inventeurs, est à la base de nombreux protocoles de communication et de traitement de l'information quantique

Dans un système de traitement de l'information quantique (transmission, calcul...), le nombre d'états possibles du système (sa dimensionnalité) conditionne la capacité de traitement en parallèle, et finalement sa puissance. Or, jusqu'ici, les dispositifs d'interférence HOM à deux photons intriqués n'utilisent que des détecteurs ponctuels (des photodiodes) sans résolution spatiale, alors que l'intrication concerne toutes les propriétés des photons jumeaux, y compris leur position dans l'espace.

Un dispositif mis au point par une équipe de l'Institut FEMTO-ST (CNRS/ Université Technologique Belfort-Montbéliard/Université de Franche-Comté/ENSMM) permet d'exploiter la grande dimensionnalité spatio-temporelle de milliers de paires de photons intriqués. Dans l'interféromètre conçu par les chercheurs, en se basant sur leur savoir-faire en imagerie quantique, les détecteurs ponctuels ont été remplacés par des capteurs CCD matriciels sensibles aux photons uniques.

Grâce à ce dispositif, qui permet de contrôler temporellement, spatialement, en polarisation et en longueur d’onde, l’indiscernabilité entre les photons d’une paire, ils ont observé et quantifié l’interférence HOM de plus de 4000 paires de photons intriqués de grande dimensionnalité spatiale et temporelle. Ce qui équivaut à une dimensionnalité spatio-temporelle totale de 3 millions de photons intriqués.

En démontrant que l'interférence HOM peut être obtenue en manipulant des états quantiques de dimensionnalité géante, cette expérimentation ouvre la voie au développement de protocoles d'information quantique de très haute dimension utilisant des variables spatiales et temporelles.

Un dispositif d’imagerie permettant la résolution spatiale et temporelle du phénomène d’interférence quantique
Vue de l’interféromètre HOM. Les faisceaux colorées indiquent le cheminement du laser de pompe (en violet) et des deux faisceaux jumeaux émis par le cristal non linéaire jusqu’aux deux caméras à comptage de photons.
© FEMTO-ST

Références
Imaging spatio-temporal Hong-Ou-Mandel interference of biphoton state of extremely high Schmidt number,
F. Devaux, A. Mosset P.A. Moreau, et E. Lantz,
Physical Review X, août 2020
DOI: doi.org/10.1103/PhysRevX.10.031031

Contact

Communication INSIS
Fabrice Devaux
Chercheur