Un photon par cycle : le convoyeur de lumière
Dans une usine, le convoyeur délivre les pièces une par une à chaque cycle. Si le cycle est court et le taux de défauts faible, la ligne tourne vite. En optique quantique, un tel convoyeur est une source de photons uniques : elle doit émettre exactement un quantum de lumière à chaque cycle. Des physiciens du Danemark et d'Allemagne ont assemblé un convoyeur qui fonctionne 515 millions de fois par seconde, et plus de la moitié des photons atteignent le bout de la fibre optique.
Le cœur du convoyeur est une boîte quantique, un îlot minuscule d'arséniure d'indium dans de l'arséniure de gallium. Lorsqu'une impulsion laser l'atteint, elle absorbe l'énergie et, après 220 picosecondes (milliardièmes de seconde), émet un photon. Pour que la boîte ne reste pas inactive, les impulsions laser sont découpées à une fréquence allant jusqu'à un gigahertz, soit une impulsion par nanoseconde. Pour cela, le faisceau continu traverse deux cristaux qui s'ouvrent et se ferment sur commande d'une puce.
L'efficacité du système, c'est-à-dire la proportion de photons qui entrent dans la fibre optique, reste supérieure à la moitié aux trois fréquences testées : 56,2 %, 53,8 % et 51,5 %. La pureté des photons uniques a été mesurée entre 3,63 % et 11,13 %, ce qui signifie que sur cent impulsions, seules quelques-unes produisent deux photons à la fois. Le plus surprenant est la méthode de mesure. Le flux de photons est si dense que sa puissance peut être mesurée avec un mesureur de puissance optique industriel ordinaire. À la fréquence du gigahertz, la puissance était de 110 picowatts. C'est neuf millions de fois plus faible que le faisceau d'un pointeur laser, mais l'appareil y arrive. Auparavant, pour compter les photons, il fallait des détecteurs supraconducteurs, qu'il fallait refroidir presque au zéro absolu. Désormais, un appareil de série suffit, en quelques secondes.
Le convoyeur qui émet un photon par cycle peut déjà accélérer la transmission sécurisée de données par fibre optique ou servir d'étalon de lumière faible en métrologie. La prochaine étape consiste à réduire le temps de vie de la boîte quantique pour dépasser le gigahertz, ou à diviser le flux en plusieurs canaux. Une telle source fonctionne à température ambiante et ne nécessite pas de détecteurs refroidis coûteux, ce qui en fait une candidate idéale pour être le cheval de trait des futurs réseaux quantiques.
La puissance optique de 110 pW est si faible qu'un pointeur laser ordinaire de 1 mW émet 9 millions de fois plus de photons par seconde. Pourtant, on peut la mesurer avec un appareil commercial en quelques secondes.