Les physiciens ont développé une nouvelle théorie décrivant un nouvel état de la lumière, qui a des propriétés quantiques contrôlables sur une large gamme de fréquences, jusqu’aux fréquences des rayons X.
Les systèmes d’émetteurs fortement pilotés offrent une source de lumière attrayante sur de larges plages spectrales jusqu’à la région des rayons X. Une limitation clé de ces systèmes est que la lumière qu’ils émettent est principalement classique. Pizza et al. surmonter cette contrainte en construisant une théorie optique quantique des systèmes à plusieurs corps fortement pilotés, montrant que la présence de corrélations entre les émetteurs crée l’émission d’états de lumière non classiques à plusieurs photons. Crédit image : DeepAI / Sci.News.
Le monde que nous observons autour de nous peut être décrit selon les lois de la physique classique, mais une fois que nous observons les choses à l’échelle atomique, le monde étrange de la physique quantique prend le dessus.
Imaginez un ballon de basket : en l’observant à l’œil nu, le ballon se comporte selon les lois de la physique classique. Mais les atomes qui composent le ballon de basket se comportent plutôt selon la physique quantique.
“La lumière ne fait pas exception : de la lumière du soleil aux ondes radio, elle peut principalement être décrite à l’aide de la physique classique”, a déclaré le Dr Andrea Pizzi, physicienne au Département de physique de l’Université de Harvard et au Laboratoire Cavendish de l’Université de Cambridge.
“Mais à l’échelle micro et nanométrique, les soi-disant fluctuations quantiques commencent à jouer un rôle et la physique classique ne peut pas en tenir compte.”
Dans leurs recherches, le Dr Pizzi et ses collègues visaient à développer une théorie qui prédit une nouvelle façon de contrôler la nature quantique de la lumière.
“Les fluctuations quantiques rendent la lumière quantique plus difficile à étudier, mais aussi plus intéressante : si elles sont correctement conçues, les fluctuations quantiques peuvent être une ressource”, a déclaré le Dr Pizzi.
“Le contrôle de l’état de la lumière quantique pourrait permettre de nouvelles techniques en microscopie et en calcul quantique.”
L’une des principales techniques de génération de lumière utilise des lasers puissants.
Lorsqu’un laser suffisamment puissant est pointé sur une collection d’émetteurs, il peut arracher certains électrons des émetteurs et les dynamiser.
Finalement, certains de ces électrons se recombinent avec les émetteurs dont ils ont été extraits, et l’excès d’énergie qu’ils ont absorbé est libéré sous forme de lumière.
Ce processus transforme la lumière d’entrée basse fréquence en un rayonnement de sortie haute fréquence.
“L’hypothèse était que tous ces émetteurs sont indépendants les uns des autres, ce qui donne une lumière de sortie dans laquelle les fluctuations quantiques sont assez homogènes”, a déclaré le Dr Pizzi.
“Nous voulions étudier un système où les émetteurs ne sont pas indépendants, mais corrélés : l’état d’une particule vous dit quelque chose sur l’état d’une autre.”
“Dans ce cas, la lumière de sortie commence à se comporter très différemment et ses fluctuations quantiques deviennent hautement structurées et potentiellement plus utiles.”
Pour résoudre ce type de problème, connu sous le nom de problème à plusieurs corps, les chercheurs ont utilisé une combinaison d’analyse théorique et de simulations informatiques, où la lumière émise par un groupe d’émetteurs corrélés pouvait être décrite à l’aide de la physique quantique.
La théorie démontre que la lumière quantique contrôlable peut être générée par des émetteurs corrélés avec un laser puissant.
La méthode génère une lumière de sortie à haute énergie et pourrait être utilisée pour concevoir la structure optique quantique des rayons X.
“Nous avons travaillé pendant des mois pour rendre les équations de plus en plus propres, jusqu’à ce que nous puissions décrire le lien entre la lumière de sortie et les corrélations d’entrée avec une seule équation compacte. En tant que physicien, je trouve cela magnifique », a déclaré le Dr Pizzi.
“Pour l’avenir, nous aimerions collaborer avec des expérimentateurs pour fournir une validation de nos prédictions.”
“Sur le plan théorique, nos travaux suggèrent des systèmes à plusieurs corps comme ressource pour générer de la lumière quantique, un concept que nous voulons étudier plus largement, au-delà de la configuration envisagée dans ce travail.”
Les travaux de l’équipe paraissent aujourd’hui dans la revue Physique naturelle.
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A. Pizzi et al. Émission lumineuse de systèmes à plusieurs corps fortement entraînés. Nat. Physique, publié en ligne le 2 février 2023 ; doi : 10.1038/s41567-022-01910-7
