Particules lumineuses en duo

© TU Berlin

Le point quantique - une sorte d'atome artificiel - est refroidi dans un cryostat à une température proche du zéro absolu. Par un laser, des jumeaux de photons sont générés et recueillis avec un objectif de microscope. (© Oana Popa/PR/TU Berlin)

Les physiciens du groupe de recherche en optoélectronique et composants quantiques dirigé par le Prof. Dr. Stephan Reitzenstein développent une nouvelle source de lumière quantique pour la génération de jumeaux de photons / publication dans Nature Communications.

La physique quantique est notamment si difficile à comprendre parce que la recherche correspondante se déroule principalement dans un microcosme composé d'atomes, d'électrons et de photons — donc invisible à l'œil humain. Cependant, on sait désormais que les effets quantiques ont également des impacts sur le monde macroscopique. Il est ainsi connu que les cellules de la vision dans les yeux d'une grenouille, appelées cellules bâtonnets, peuvent même détecter un seul photon. Des chercheurs de Singapour ont pu démontrer que, même à luminosité égale des différents types de lumière (c'est-à-dire un même nombre de photons par unité de temps), les cellules bâtonnets de l'œil enregistrent une différence entre la lumière classique et la lumière quantique. Cela ouvre la voie à des applications interdisplinaires totalement nouvelles pour les sources de lumière quantique en biologie quantique, à l'intersection de la physique quantique et de la biologie, qui, pour l'instant, peuvent encore sembler relever de la science-fiction.

Alors que la recherche dans le domaine de l'optique quantique se limitait jusqu'à présent principalement à la recherche fondamentale, des progrès importants ont été réalisés ces dernières années dans la génération d'états de lumière non classiques et, par conséquent, vers de nouvelles applications. Cependant, le développement des sources de lumière quantique correspondantes reste un défi immense : « La fabrication définie d'une source de photons uniques — qui pourrait notamment être utilisée pour le développement de systèmes de transmission de données sécurisée — est encore aujourd'hui une haute technologie », explique le Dr Tobias Heindel, collaborateur du groupe de recherche du Prof. Dr. Stephan Reitzenstein, dans le domaine de l'optoélectronique et des composants quantiques à l'Université Technique de Berlin.

Pour la première fois, l'équipe de recherche de ce groupe a réussi à produire une source de lumière quantique basée sur des points quantiques semi-conducteurs capable de générer des paires de photons identiques — appelés jumeaux de photons. Le Dr Tobias Heindel, Alexander Thoma et d'autres membres du groupe ont utilisé, sous la direction du Professeur Reitzenstein, un composant quantique hautement optimisé. « Au cours des dernières années, le groupe a développé une technique unique au monde, la lithographie par faisceau d'électrons in situ en 3D, qui permet de positionner une micro-lentille précisément au-dessus d'un point quantique de quelques nanomètres (1 nm correspondant à un millionième de millimètre). Ce point quantique peut quasi instantanément émettre des photons, qui sont dirigés dans une direction précise par la micro-lentille spéciale et peuvent ainsi être détectés », explique Tobias Heindel. Grâce à des méthodes de mesure spécifiques, les chercheurs ont pu isoler un point quantique unique capable d’émettre des jumeaux de photons. « Notre prochain objectif est de développer une méthode permettant de transformer n’importe quel point quantique en une source de photons jumeaux. » La fabrication de ces composants quantiques a été rendue possible par l'excellente infrastructure du Centre de nanophotonique de l'Université Technique de Berlin.

« D’autres groupes de recherche ont déjà réussi à produire des jumeaux de photons à partir d’atomes naturels ou de cristaux non linéaires », précise Heindel. Cependant, l’avantage majeur de la source de photons jumeaux berlinoise basée sur des points quantiques réside dans le fait que les paires de photons peuvent être émises quasi à la demande. Associée à la structure micro-lentille, cela permet de créer une source de photons particulièrement brillante. « Notre approche permet d’augmenter par un facteur cinq le nombre de paires de photons générées par le composant », rapporte Heindel. Pour détecter directement ces jumeaux de photons émis, les physiciens ont utilisé, en collaboration avec l’Institut Physique et Technique Fédéral de Berlin, un détecteur supraconducteur très sensible capable de compter le nombre de photons dans une impulsion lumineuse.

Les travaux sur cette nouvelle source de lumière quantique ont été réalisés dans le cadre du programme de recherche spécial 787 « Nanophotonique à base de semi-conducteurs » et du projet VIP du BMBF « QSOURCE ». Ils ont été publiés dans le numéro actuel de la revue spécialisée de renom, Nature Communications. *

* Heindel, T. et al. A bright triggered twin-photon source in the solid state.
Nat. Commun. 8, 14870 doi: 10.1038/ncomms14870 (2017).