génération de photons uniques annoncée

Un interprète dans une salle d'audience doit transmettre chaque mot sans se laisser distraire par le bruit ambiant. Dans le monde quantique, ce rôle est joué par un résonateur supraconducteur, qui doit perdre des photons selon un calendrier strict, sans dévier vers des effets parasites.

Sous un microscope électronique, une protéine apparaît comme une série d'ombres floues — des centaines de milliers de clichés de la même molécule, mais sous des angles différents et avec un fort bruit.

Attraper la lumière particule par particule, c'est comme entendre un murmure dans un atelier assourdissant. La caméra à multiplication d'électrons (EMCCD) en est capable : un photon unique qui atteint un pixel est transformé en avalanche d'électrons, mesurable ensuite.

Dans une rangée serrée d'atomes, espacés de moins d'une longueur d'onde, se cache un état surprenant. L'excitation est répartie sur toutes les particules de telle sorte que leur rayonnement s'annule de lui-même. Ce « silence » quantique est un coffre-fort idéal pour un photon : il peut y rester stocké des centaines de fois plus longtemps que d'habitude.

Un film mince de disulfure de molybdène — de moins d'un micron d'épaisseur — fonctionne comme une minuscule usine à paires de photons, intégrée directement dans un connecteur de fibre optique. La fibre optique ordinaire n'est pas qu'un simple fil de verre pour Internet.

Selon les règles du modèle standard, la charge électrique est toujours un multiple entier de la charge de l'électron – la nature travaille avec des unités entières. Mais les équations permettent l'existence de particules à double charge : les bileptons.

Le laser frappe une cible faite de fils fins — et en quelques dizaines de femtosecondes (milliardièmes de milliardième de seconde), il en arrache un flux de protons. Ces protons pénètrent dans un convertisseur en lithium et deutérium, où naissent des neutrons.

Le diamant est le matériau naturel le plus dur, et il ne conduit généralement pas l'électricité. Mais si l'on ajoute quelques atomes étrangers dans son réseau cristallin, il peut devenir un semi-conducteur, comme le silicium dans les puces informatiques.

La lumière d'une ampoule, ou même d'un laser ordinaire, évoque la foule à la sortie du métro : les gens avancent en désordre, tantôt denses, tantôt espacés. Les physiciens appellent ce comportement le bruit de grenaille — ce sont les fluctuations aléatoires du nombre de particules qui arrivent par seconde.

Une ampoule qui n'émet pas un flux continu mais des gouttes individuelles — des photons. Ces sources « goutte à goutte » sont appelées émetteurs uniques. Elles sont nécessaires pour la communication quantique, où chaque photon porte un bit d'information, et pour des mesures ultra-précises.

Dans l'immense accélérateur, des particules se percutent, et parfois, après l'impact, il ne reste que deux photons – les particules de lumière. Les physiciens savent prédire la fréquence de ce phénomène, mais leurs calculs ne concordaient pas avec ce que voyaient les détecteurs.

La lumière des étoiles lointaines voyage pendant des millions d'années, mais les rayons X ne peuvent pas être captés par du verre ordinaire : ils le traversent comme une balle traverse du papier. C'est pourquoi les télescopes à rayons X nécessitent des lentilles spéciales : des piles de minuscules prismes qui dévient doucement les rayons et les concentrent en un seul point.

Dans le système binaire Cygnus X-3, dans notre galaxie, un trou noir et une étoile géante tournent si près l'un de l'autre que l'étoile perd de la matière — elle est emportée par un vent puissant.

La lumière dans une fibre optique est un flux de photons, et pour la communication quantique, il faut des photons uniques, que l'on peut envoyer un par un. Mais les faire sortir rapidement tout en les rendant indiscernables est un défi.

La lumière ordinaire, c'est comme une foule sur une place : chaque photon se déplace à sa guise, entre en collision et repart. Mais dans certains milieux, les photons, telle une meute de chiens, se mettent à courir ensemble — ils se regroupent.

Une lampe ordinaire émet de la lumière dans toutes les directions, et il est impossible de prédire quand le prochain photon sortira. Or, les technologies quantiques nécessitent une lumière bien différente : des photons uniques, émis un par un, comme des lettres glissant par la fente d'une boîte aux lettres.

La lumière frappe un film mince — et un courant électrique y apparaît instantanément. C'est le principe d'une paire de matériaux : le disulfure de molybdène et le cobalt. Le premier est un semi-conducteur, le second un aimant. Entre eux, comme on l'a découvert, naît une couche intermédiaire invisible.

Un laser puissant frappe un semi-conducteur, et celui-ci répond par une lumière à de nombreuses fréquences — telle une corde qui vibre en un chœur d'harmoniques. Auparavant, on utilisait cela en spectroscopie pour observer des processus ultrarapides.

Une boîte quantique de la taille de quelques milliers d'atomes scintille comme une ampoule défectueuse. Tantôt elle s'illumine vivement, tantôt elle s'éteint presque. On pensait auparavant que dans les moments sombres, elle émettait non seulement des photons uniques, mais aussi des paires supplémentaires – un défaut pour la communication quantique.

Si l'on pouvait mettre la lumière en bouteille, les scientifiques auraient une chaîne de production idéale : une bouteille pour un photon, sans une goutte à côté.

Un faisceau lumineux qui traverse un morceau de verre ne fait généralement que se dévier légèrement. Mais si l'on grave à l'intérieur du verre des motifs très fins au laser, on peut faire en sorte que la lumière se décompose en faisceaux distincts, comme la lumière blanche se disperse en arc-en-ciel après la pluie.

Une impulsion laser pénètre dans une minuscule cavité en cristal transparent. À l'intérieur, la lumière rebondit entre les miroirs, et parfois un photon se divise en une paire : l'un part d'un côté, l'autre de l'autre. L'un devient le signal, l'autre une « sonnerie » qui annonce : le photon unique est prêt.

Une feuille ultra-mince de semi-conducteur, c'est comme la pellicule d'une bulle de savon, mais faite d'atomes de tungstène et de sélénium. Si on la pique avec une aiguille en diamant bien pointue, de minuscules défauts apparaissent à cet endroit.

Une imprimante 3D classique extrud du plastique comme un pâtissier poche de la crème. Ici, au lieu du plastique, c'est la lumière. Un faisceau laser dessine dans une résine liquide, la faisant durcir aux points voulus. Ainsi naissent des pièces invisibles à l'œil nu. Jusqu'ici, ces imprimantes étaient lentes : le faisceau rampait sur la surface comme une plume sur le papier.

La communication quantique par satellite ressemble à un appel entre deux phares lointains : le faisceau doit toucher exactement le détecteur, sinon le message est illisible.

Le faisceau d’une lampe de poche dans le brouillard dessine un cône, mais ne peut pas découper une figurine dans le nuage. L’hologramme, lui, agit comme un pochoir pour la lumière : il sait d’avance où se concentrer en points lumineux et où rester dans l’ombre. Désormais, un tel pochoir fait durcir la résine liquide d’un seul coup, dans tout le volume, sans impression couche par couche.

Une infime poussière d'argent naît dans le faisceau d'un laser et commence aussitôt à croître — plus vite qu'un clin d'œil. Un microscope ordinaire ne peut pas suivre une telle vitesse, c'est pourquoi personne n'avait encore vu comment une nanoparticule apparaît et prend de la taille.

La lumière d'une lampe ordinaire est un chaos : les photons s'envolent dans toutes les directions, sans aucun ordre. Mais si l'on fait en sorte que de nombreux atomes émettent de la lumière simultanément et en rythme, on obtient une impulsion courte et puissante — comme des applaudissements qui, de claquements individuels, se transforment en une salve unique.

La lumière, en traversant une plaque à motifs, se recompose à l'intérieur d'un liquide transparent en un dessin en volume. Là où la lumière est plus intense, la résine durcit. Au bout de 7,5 secondes, on retire du liquide une pièce finie — avec des cavités, des canaux et des micro-reliefs. Une imprimante 3D ordinaire imprime point par point ou couche par couche.

Une goutte d'encre tombe dans un verre d'eau — et au lieu d'une tache uniforme, un anneau naît, qui se met aussitôt à tournoyer. C'est à peu près ainsi que naît un skyrmion : la lumière émise par une source minuscule s'enroule en un tourbillon stable. Jusqu'à présent, de tels tourbillons n'étaient obtenus qu'avec de grands lasers.

Un laser ordinaire émet des photons un par un, comme un robinet qui goutte. Mais que faire si l'on a besoin de plusieurs particules de lumière nées au même instant ?

Créer de la lumière avec un nombre exact de photons, c'est un peu comme frapper exactement 100 000 pièces sans aucun défaut. Jusqu'ici, les physiciens ne pouvaient contrôler que des dizaines de particules.

L'idée de la téléportation quantique a été proposée par Charles Bennett, puis réalisée par Anton Zeilinger. Elle repose sur l'intrication — deux particules synchrones, comme deux feuilles qui reproduisent instantanément le même dessin.

La communication quantique ordinaire ressemble à une poste qui n'envoie qu'un seul courrier à la fois. Si le trajet est long, la réponse se fait attendre indécemment.

Le laser claque à une fréquence de dix millions de fois par seconde, et chaque clic éjecte du film de polystyrène exactement un photon. Pas un faisceau, pas un paquet, mais une unique particule de lumière, soigneusement emballée dans l'espace et le temps.

Faire évoluer un ordinateur quantique, c'est un peu comme tisser une toile d'araignée avec de la lumière : chaque fil vibre au souffle thermique, menaçant de rompre le motif à peine esquissé.