Techniques de manipulation de la lumière au niveau quantique, y compris l'extraction depuis le vide et l'émission moléculaire.Le contrôle de la lumière quantique désigne l'ensemble des techniques permettant de manipuler la lumière au niveau des photons individuels, où la nature quantique du champ électromagnétique devient directement observable. Cela inclut la génération de photons uniques à la demande, la compression de la lumière pour réduire le bruit dans une observable au prix de son augmentation dans une autre, et même l'extraction de photons du vide — l'état fondamental quantique du champ. Cela couvre également le contrôle de l'émission de lumière par les molécules, comme la mise en forme du spectre d'émission ou de sa direction grâce à l'électrodynamique quantique en cavité.
Les fondements théoriques ont été posés dans les années 1960 et 1970, avec Roy Glauber formalisant la cohérence quantique et la première lumière comprimée produite en 1985 par Richard Slusher et ses collègues aux Laboratoires Bell. L'effet Casimir dynamique a été observé expérimentalement pour la première fois en 2011 par Chris Wilson et ses collaborateurs.
Au cœur du contrôle de la lumière quantique se trouve la capacité de préparer et de mesurer des états quantiques spécifiques du champ électromagnétique. Les sources de photons uniques utilisent des émetteurs quantiques tels que des atomes, des boîtes quantiques ou des centres de défauts dans les cristaux, qui émettent un photon à la fois. La lumière comprimée est produite par des cristaux optiques non linéaires qui corrèlent des paires de photons, réduisant les fluctuations quantiques dans une quadrature. L'émission depuis le vide peut être stimulée en modifiant rapidement les conditions aux limites — l'effet Casimir dynamique — où des miroirs en mouvement ou des circuits supraconducteurs convertissent des photons virtuels en photons réels. L'électrodynamique quantique en cavité utilise des cavités optiques de haute finesse pour amplifier ou supprimer l'émission spontanée, donnant aux expérimentateurs le contrôle sur la manière et le moment où une molécule libère son énergie sous forme de lumière.
Le contrôle de la lumière quantique sous-tend la cryptographie quantique, la distribution de clés quantiques et le calcul quantique photonique, où les photons uniques servent de qubits volants, et la lumière comprimée améliore la sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles comme LIGO.
Le vide n'est pas vraiment vide — il grouille de photons virtuels qui peuvent être convertis en photons réels en modifiant rapidement la vitesse d'un miroir, un effet prédit pour la première fois par Gerald Moore en 1970.
| L | variable | Luminosity (total power emitted) — luminosité watt |
| R | variable | Radius of the emitting region — rayon metre |
| n | variable | Number density of particles — number density per cubic metre |
| γ | variable | Lorentz factor of the particles — facteur de Lorentz |
| m | variable | Particle rest mass — masse kilogram |
| c | constante | Speed of light in vacuum, the maximum speed for any particle. — vitesse de la lumière = 299792458 metre per second |
| dN/dE | variable | Differential number of particles per energy interval — particle spectrum joule per joule |
| E | variable | Particle energy — énergie joule |
| alpha | variable | Spectral index of the power law |
| E_cut | variable | Cutoff energy — énergie joule |
