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Une équipe de l’INRS développe une méthode simple et écoénergétique pour récupérer les bons photons… et leurs propriétés quantiques.
Professeur José Azaña et Benjamin Crockett
Dans les technologies quantiques, tout repose sur la capacité à détecter les propriétés portées par un seul photon. Mais dans le monde réel, ce photon d’intérêt est souvent noyé dans une mer de lumière indésirable — un véritable défi d’« aiguille dans une botte de foin » qui freine aujourd’hui le déploiement de nombreuses applications, dont la communication quantique sécurisée, les capteurs quantiques utilisés dans les réseaux de télescopes, ou encore l’interconnexion d’ordinateurs quantiques pour accélérer le développement de nouveaux médicaments et matériaux.
À l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), l’équipe du professeur José Azaña, en collaboration avec celle du professeur Roberto Morandotti, a développé une approche étonnamment simple et écoénergétique pour relever ce défi. La recherche fut menée par Benjamin Crockett durant son doctorat au Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS, récemment diplômé et maintenant chercheur postdoctoral Banting à l’Université de la Colombie-Britannique (UBC).
Leur méthode permet non seulement de réduire le bruit, mais surtout de récupérer des propriétés quantiques essentielles qui seraient autrement perdues dans des environnements lumineux où les technologies actuelles échouent.
« Grâce à cette nouvelle méthodologie, nous avons pu récupérer des états quantiques corrompus par d’importantes quantités de bruit, qui auraient autrement été perdus. Cela permettrait à des systèmes quantiques de fonctionner dans les conditions de bruit rencontrées en situation réelle, surmontant ainsi l’un des principaux obstacles au déploiement pratique des technologies quantiques. »
Benjamin Crockett, auteur principal de l’étude et diplômé de l’INRS
Leurs travaux ont fait l’objet d’une publication dans la revue Science Advances.
Récupérer l’information quantique cachée
En détournant un dispositif d’optique classique, l’illuminateur de réseau de Talbot (TAI), l’équipe parvient à réorganiser la lumière dans le temps pour faire ressortir les photons utiles sans amplification destructrice. La méthode fonctionne aussi bien pour des photons isolés que pour des paires de photons intriqués dans le temps, une ressource clé pour la communication quantique. Elle permet même de révéler des signatures quantiques non-classiques normalement invisibles dans un environnement lumineux.
Une des idées importantes de cette étude, explique Benjamin Crockett, c’est qu’on peut « manipuler » les corrélations quantiques entre des photons un peu comme on traite des images.
Imaginez qu’on a une image corrompue par le bruit (comme en A dans la figure). Pour la rendre plus lisible, on peut la faire passer à travers un ensemble de lentilles. Ces lentilles redistribuent l’image : au lieu d’être floue et pleine de bruit, elle se transforme en plusieurs points très lumineux. Grâce à cette transformation, il devient plus facile d’ignorer le bruit et d’extraire l’information utile.
Ce principe peut aussi être appliqué au temps.
De la même façon qu’on traite une image dans l’espace, on peut utiliser un équivalent temporel du système d’imagerie pour « réorganiser » les corrélations temporelles entre photons. Elles se retrouvent alors réparties en une série de points bien distincts, ce qui permet de mieux les analyser malgré le bruit.
« Voir apparaître des propriétés quantiques dans un environnement brillant, sans étapes complexes, a été l’un des résultats les plus marquants.
José Azaña, professeur à l’INRS spécialisé en photonique ultrarapide
Prochaines étapes
La prochaine étape pour l’équipe à l’INRS est d’intégrer cette méthode directement sur puce, de la tester sur des fibres optiques et des canaux en espace libre, et enfin de l’associer à d’autres techniques pour augmenter la portée et la fiabilité des futurs liens quantiques.
Ce travail a été rendu possible grâce à un financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), ainsi que par le Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT).
Benjamin Crockett s’est démarqué à l’INRS avec une série d’honneurs internationaux. Il a été le premier scientifique d’un établissement universitaire canadien à remporter le prix Tingye Li Innovation à la conférence OFC, un jalon majeur en optique et communications. Il a aussi reçu la prestigieuse bourse D.J. Lovell de la SPIE, la plus importante de cette société internationale, en plus de distinctions d’Optica et de l’IEEE Photonics Society, qui soulignent l’impact de ses travaux en technologies quantiques.