Pulsed coherent and squeezed driving of a spin-$S$ emitter as a deterministic source of Wigner-negative light

Dans le domaine de la technologie quantique, la lumière n'est pas seulement un faisceau qui illumine une pièce ; c'est un outil délicat capable de transporter de l'information d'une manière que la physique classique ne peut expliquer. Pour de nombreuses applications avancées, telles que la construction d'ordinateurs quantiques ou la réalisation de mesures ultra-précises, les scientifiques ont besoin d'une lumière qui se comporte d'une manière distinctement étrange. Ce comportement est souvent décrit par une carte mathématique appelée distribution de Wigner, qui agit comme une carte topographique de l'état quantique de la lumière. Sur cette carte, la plupart des lumières ordinaires, comme celle d'un pointeur laser, ressemblent à une colline positive et lisse. Cependant, les états quantiques de lumière les plus utiles possèdent des vallées « négatives » sur cette carte. Ces régions négatives sont une signature définitive que la lumière se comporte d'une manière impossible pour les objets classiques, la marquant comme une ressource pour la prochaine génération de technologies. Le défi a toujours été de savoir comment créer ces états négatifs de manière fiable. Historiquement, les scientifiques ont dû compter sur la chance, générant la lumière puis espérant qu'une mesure confirme que cela a fonctionné, un processus lent et inefficace.

Une équipe de chercheurs de l'Université d'Auckland a trouvé un moyen de contourner cette dépendance au hasard. Ils ont démontré, par des simulations informatiques détaillées, qu'ils peuvent générer ces précieux états de lumière négatifs sur commande, en utilisant une méthode qui est à la fois déterministe et hautement efficace. Leur approche consiste à projeter une impulsion lumineuse courte et contrôlée sur un émetteur minuscule, un système de type atome unique qui peut exister dans différents états d'énergie. En façonnant soigneusement l'impulsion et le moment de l'interaction, ils peuvent forcer la lumière sortant de l'émetteur à se transformer en un état présentant de profondes vallées négatives sur sa carte de Wigner. Les chercheurs ont constaté que cette méthode produit une lumière dotée d'un niveau de étrangeté quantique bien plus élevé que ce qui était possible auparavant avec des flux de lumière continus et constants. Ils ont montré qu'en ajustant la force et la forme de l'impulsion entrante, ils pouvaient créer des états quantiques spécifiques et hautement complexes, incluant des états qui ressemblent à un photon unique ayant été déplacé dans l'espace, ou même des formes plus exotiques qui ressemblent à une superposition de deux états comprimés différents.

L'étude commence par l'examen d'un système simple à deux niveaux, qui agit comme un interrupteur de base pouvant être soit sur, soit hors tension. Lorsque ce système est frappé par une impulsion de lumière cohérente, les chercheurs ont observé que la lumière sortante pouvait être réglée pour présenter de fortes caractéristiques négatives. Ils ont découvert que le degré de négativité n'est pas une augmentation simple et constante à mesure que l'impulsion devient plus forte ; au contraire, il fluctue selon un motif complexe. En utilisant des techniques d'optimisation pour trouver la combinaison parfaite de la largeur et du timing de l'impulsion, ils ont identé un montage spécifique qui produit un état très proche d'un état de photon unique déplacé. C'est une découverte significative car elle suggère un moyen fiable de créer un bloc de construction fondamental pour l'informatique quantique sans avoir besoin de filtrer les résultats indésirables. Les simulations ont montré que cet état optimal possède un volume négatif, une mesure de la présence de « quanticité », qui est plus de cinq fois supérieur à ce qui avait été atteint lors d'expériences précédentes utilisant des méthodes de pilotage continu.

Les chercheurs ont ensuite étendu leur investigation à des émetteurs plus complexes, des systèmes qui peuvent détenir plus que de simples deux niveaux d'énergie, semblable à un cadran avec plusieurs réglages plutôt qu'à un simple interrupteur. Ils ont découvert que le pilotage de ces systèmes à spin plus élevé avec des impulsions de lumière produisait des résultats encore plus spectaculaires. À mesure qu'ils augmentaient la complexité de l'émetteur, la quantité de négativité dans la lumière de sortie augmentait de manière significative. Pour un système de spin trois-demis, le volume négatif a atteint des niveaux qui dépassent de loin toute autre méthode déterministe actuellement connue. Les formes de ces nouveaux états commençaient à ressembler à des motifs de multiples photons, suggérant que cette technique pourrait être utilisée pour générer de manière déterministe des états avec des nombres spécifiques de particules, une capacité qui est actuellement très difficile à atteindre.

Dans une seconde ligne d'enquête, l'équipe a remplacé les impulsions de lumière cohérente standard par des impulsions de lumière comprimée (squeezed light). La lumière comprimée est un type spécial de lumière où l'incertitude dans une propriété est réduite au détriment d'une autre, ce qui en fait un outil puissant pour la précision. Lorsqu'ils ont piloté le système simple à deux niveaux avec ces impulsions comprimées, les états de lumière résultants ressemblaient à des états de « chat de Schrödinger », qui sont des superpositions de deux réalités quantiques distinctes. Ces états sont très prisés pour leur potentiel d'utilisation dans l'informatique quantique à correction d'erreurs. Les simulations ont révélé que la méthode par impulsions surpassait à nouveau les méthodes en régime permanent, produisant des états avec des vallées négatives beaucoup plus profondes. Les chercheurs ont été capables d'affiner la compression et le timing de l'impulsion pour maximiser cet effet, trouvant un point idéal où l'état généré était presque identique à un état de chat comprimé théorique.

Peut-être la découverte la plus surprenante survint lorsqu'ils appliquèrent des impulsions comprimées à un émetteur de spin un, un système possédant trois niveaux d'énergie. Ici, la physique prit un tournant unique. L'interaction entre la lumière comprimée et le système à trois niveaux résulta en un état où la composante de deux photons était presque entièrement absente. Dans la lumière de sortie, la probabilité de trouver exactement deux photons était supprimée, tandis que d'autres nombres de photons subsistaient. Ce phénomène, que les chercheurs appellent « exclusion de deux photons », crée un motif en grille dans la carte quantique qui rappelle un type spécifique de code de correction d'erreurs quantiques connu sous le nom d'état GKP. Ces états sont considérés comme le Saint Graal pour la construction d'ordinateurs quantiques robustes car ils peuvent protéger l'information contre le bruit. Les simulations ont montré que la lumière générée de cette manière partage un haut degré de similitude avec ces états GKP idéaux, offrant une nouvelle voie potentielle pour les créer de manière déterministe.

Tout au long de leurs travaux, les chercheurs ont souligné que ces résultats proviennent de simulations numériques rigoureuses d'un système en cascade, où la lumière s'écoule d'une source, traverse un émetteur, et pénètre dans une cavité de capture. Ils ont méticuleusement modélisé la façon dont les impulsions de lumière interagissent avec l'émetteur et comment le timing des impulsions affecte l'état final. Ils ont également exploré les imperfections, telles qu'une fuite de lumière dans la mauvaise direction ou un émetteur légèrement désaccordé par rapport à la lumière, qui pourraient affecter les résultats. Leur analyse a montré que, bien que ces imperfections réduisent la qualité des états négatifs, l'effet central reste robuste tant que le système est raisonnablement bien accordé. L'étude conclut qu'en passant d'un pilotage continu à un pilotage par impulsions, et en utilisant des émetteurs avec différents nombres de niveaux d'énergie, il est possible de générer une large gamme d'états de lumière hautement non classiques. Ce travail fournit un schéma théorique pour une source déterministe de lumière à négativité de Wigner, rapprochant le domaine de la réalisation pratique des technologies quantiques qui reposent sur ces états de la matière fragiles et puissants.