Un amplificateur de lumière voit ce qui est caché express
Un filigrane délicat sur du papier humide, et une vitre embuée devant les yeux. C'est à peu près à cela que ressemble la lecture des états quantiques de la lumière : les fragiles motifs de photons sont déformés par les pertes, et les détecteurs ne capturent qu'une petite partie du signal. L'approche habituelle, la tomographie homodyne, exige des conditions quasi parfaites, mais dans le monde réel, la lumière s'affaiblit et les instruments sont imparfaits.
Les auteurs de l'étude proposent une autre voie. La lumière traverse un amplificateur paramétrique sensible à la phase, un dispositif qui agit comme un résonateur musical. Il ne répond qu'aux notes d'une certaine phase, les rendant plus fortes, et atténue le bruit. Le signal amplifié est mesuré par un simple mesureur de puissance, semblable à un luxmètre domestique, mais pour la lumière quantique. Ensuite, un algorithme mathématique, comparable à la résolution d'un puzzle avec des pièces manquantes, reconstruit le motif d'origine. La méthode ne craint pas les pertes et fonctionne même avec des détecteurs de qualité médiocre.
Les chercheurs ont testé leur approche sur trois types d'états : les photons uniques, les « chats de Schrödinger » (des impulsions lumineuses existant dans deux phases simultanément) et les états GKP, des « peignes » exotiques de pics particulièrement résistants aux erreurs. Dans tous les cas, l'algorithme a reconstruit avec précision la forme de l'état et a même mesuré son degré de non-classicité, à savoir le rang stellaire et la négativité de la fonction de Wigner. Ces grandeurs indiquent à quel point l'état diffère d'un faisceau laser ordinaire.
La valeur pratique de la méthode réside dans le fait qu'elle combine trois tâches en un seul montage expérimental : la mesure avec pertes, la reconstruction de l'état et la vérification de sa non-classicité. Pas besoin de réorganiser le dispositif ou de changer les détecteurs. C'est comme si un même instrument pouvait écouter de la musique, identifier les notes et évaluer le talent de l'interprète. Pour les technologies optiques quantiques, cette approche signifie une vérification plus rapide et moins coûteuse des états complexes nécessaires au calcul et aux communications sécurisées. L'eau sur le papier devient visible, même si la vitre est plus embuée que d'habitude.
Un faisceau laser ordinaire peut être décrit comme une onde avec de petites fluctuations aléatoires. Mais si l'on comprime ces fluctuations à l'extrême dans une direction, elles augmentent inévitablement dans l'autre : c'est le principe d'incertitude quantique. C'est cette compression que l'on utilise dans les amplificateurs paramétriques pour cacher le bruit là où il ne gêne pas la mesure.
Dans la nouvelle « Lumières et ombres » de Ted Chiang, le protagoniste utilise des états quantiques de la lumière pour communiquer avec des versions parallèles de lui-même. La méthode décrite ici pourrait devenir un outil pour vérifier que des « ombres » étrangères ne se sont pas mêlées au signal.