Generalised quantum interference

Résumé technique : Interférence quantique généralisée

Problématique et contexte
L'effet Hong-Ou-Mandel (HOM) est une signature fondamentale du comportement quantique où deux photons indiscernables entrant par deux ports différents d'un séparateur de faisceau équilibré sortent toujours ensemble (regroupement ou bunching), supprimant ainsi le résultat de coïncidence où ils sortiraient séparément. Bien que l'effet HOM standard soit un outil bien établi pour caractériser l'indiscernabilité et les sources de photons, il ne représente qu'un cas spécifique d'interférence quantique à deux photons. Des travaux théoriques (Réf. [36]) suggèrent que l'optique linéaire permet une classe plus large d'effets d'interférence « généralisés ». Dans ce cadre, en manipulant l'état d'entrée et la transformation du séparateur de faisceau, l'interférence destructrice peut être ajustée pour supprimer non seulement le terme de coïncidence, mais aussi l'un des deux termes de regroupement. Cela résulterait en un régime d'interférence quantique asymétrique où les photons peuvent sortir séparément ou se regrouper dans un port, mais sont interdits de se regrouper dans l'autre.

Méthodologie
Les auteurs démontrent expérimentalement cette interférence quantique généralisée à l'aide de l'unité de traitement quantique (QPU) photonique intégrée et programmable Ascella. Le protocole expérimental comprend les étapes suivantes :

1. Préparation de l'état : Deux photons uniques générés par une source de points quantiques sont d'abord interférés sur un séparateur de faisceau équilibré (50:50) pour créer un état de regroupement HOM standard.
2. Génération du déséquilibre : Une atténuation contrôlée est appliquée à un bras de l'interféromètre. Cela prépare un état d'entrée à deux photons déséquilibré de la forme $a |2, 0\rangle + \sqrt{1-a^2} |0, 2\rangle$, où le coefficient $a$ est déterminé par la transmissivité $\gamma$ de l'atténuation.
3. Interférence variable : Cet état déséquilibré est ensuite dirigé vers un séparateur de faisceau variable à réflectivité $R$ ajustable.
4. Détection : Les trois configurations possibles de sortie à deux photons ($|2, 0\rangle$, $|1, 1\rangle$, et $|0, 2\rangle$) sont résolues à l'aide d'une détection à pseudo-résolution de nombre de photons (PPNR). Cela implique de diviser chaque bras de sortie sur un séparateur de faisceau équilibré supplémentaire et de surveiller avec des paires de détecteurs de nanofils supraconducteurs. Les coïncidences au sein d'un même bras identifient les événements de regroupement, tandis que les clics dans des bras différents identifient le résultat de coïncidence ($|1, 1\rangle$).

Contributions clés et résultats
L'étude démontre avec succès le remodelage continu de la distribution de sortie à deux photons en ajustant le déséquilibre de l'état d'entrée ($\gamma$) et la réflectivité du séparateur de faisceau ($R$).

• Point d'interférence asymétrique : Les auteurs ont identifié et réalisé les conditions spécifiques de l'interférence quantique asymétrique. En réglant l'atténuation à $\gamma \approx 0,7327$ (produisant un coefficient de déséquilibre $a \approx 0,966$) et la réflectivité du séparateur de faisceau à $R \approx 78,9\,\%$, ils ont obtenu un état où le terme de regroupement $|0, 2\rangle$ est supprimé par interférence destructive.
• Données expérimentales : À ce point asymétrique, la probabilité mesurée de la sortie supprimée $|0, 2\rangle$ était de $(1,9 \pm 0,8) \times 10^{-3}$. En revanche, les autres sorties, $|2, 0\rangle$ et $|1, 1\rangle$, se produisaient avec des probabilités presque égales ($0,479 \pm 0,009$ et $0,519 \pm 0,009$, respectivement). Cela représente une suppression de 250 fois du canal interdit par rapport aux canaux autorisés.
• Comportement généralisé : En balayant $R$ sur une plage pour trois réglages d'atténuation différents, les auteurs ont montré que les probabilités de sortie évoluent de manière continue, correspondant aux prédictions théoriques de l'interférence généralisée. Les résultats divergent significativement des prédictions basées sur un modèle de particules classiques décohérentes, confirmant la nature quantique de l'effet.
• Écarts : Les légers écarts entre les probabilités mesurées et théoriques ont été attribués à l'indiscernabilité finie des photons, aux erreurs de calibration du circuit programmé et au bruit de fond, particulièrement à des réflectivités élevées.

Signification et affirmations
L'article affirme fournir la première démonstration expérimentale de l'interférence quantique généralisée sur un processeur photonique intégré programmable. La principale importance réside dans l'élargissement de la compréhension de l'effet HOM, passant d'un phénomène unique et fixe à une famille d'effets d'interférence ajustables accessibles via l'optique linéaire.

Les auteurs déclarent que ce travail place l'effet HOM standard dans un contexte plus large d'interférence à deux photons. Ils suggèrent que la capacité de supprimer un canal de sortie sélectionné de manière contrôlée pourrait être utile pour la préparation d'états de photons intriqués par optique linéaire. L'étude confirme qu'en faisant varier le déséquilibre de l'état d'entrée et les paramètres du séparateur de faisceau, on peut accéder à des états arbitraires à deux photons et deux modes, le point asymétrique servant de cas limite où un canal de regroupement spécifique est interdit.