La réalisation d’un ordinateur quantique optique, les communications quantiques sécurisées et l’imagerie nécessitent la génération rapide et fiable de photons uniques et de leurs superpositions quantiques. Les futures sources d’optique quantique se doivent également d’être compactes afin d’être intégrées aux futurs dispositifs photoniques.

Figure :
Une métasurface de quelques dizaines de micromètres carrés, constituée de méta-atomes de ce type, peut générer et façonner un grand nombre d’états de lumière quantique.

Lorsqu’une lumière intense frappe un matériau non linéaire, les photons peuvent se diviser en deux. Cette interaction sépare leur énergie, laissant une paire de photons intriqués d’énergies plus faibles. La première démonstration d’une source de lumière à l’échelle nanométrique d’états intriqués à deux photons vient d’être réalisée par une collaboration multinationale impliquant l’équipe DON à MPQ.


Ces structures nanométriques sont des nano-antennes optiques de matériaux qui interagissent fortement avec la lumière. Elles ont déjà montré une grande capacité à manipuler efficacement les photons, mais leur potentiel de production d’états quantiques à plusieurs photons était resté inexploré. Dans le cadre d’une collaboration multinationale associant des chercheurs britanniques, australiens, français, italiens et chinois, l’équipe de Giuseppe Leo, avec comme premier auteur Giuseppe Marino, postdoctorant au laboratoire, a démontré la génération à l’échelle nanométrique d’états quantiques à deux photons améliorée par la nano-antenne semiconductrice. Il est également facile d’obtenir la réponse spectrale souhaitée en modifiant la lumière incidente, la forme et la géométrie de la nano-antenne.

Excitée par un laser, la nano-antenne génère des paires de photons à un taux beaucoup plus élevé que les méthodes habituelles. Ces expériences ouvrent maintenant la voie au développement de structures à l’échelle nanométrique afin de générer des états quantiques à plusieurs photons. Les applications futures incluent les télécommunications sécurisées et l’imagerie quantique.

 

Contact :
Giuseppe Leo (giuseppe.leo@univ-paris-diderot.fr)

Référence :
Spontaneous photon-pair generation from a dielectric nanoantenna, G. Marino, A.S. Solntsev, L. Xu, V.F. Gili, L. Carletti, A.N. Poddubny, M. Rahmani, D.A. Smirnova, H.Chen, A. Lemaître, G. Zhang, A.V. Zayats, C. De Angelis, G. Leo, A.A. Sukhorukov, and D.N. Neshev, Optica 6, 1416 (2019)

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