Researchers have successfully transferred quantum coherence through photons scattered in free-space for the first time, enabling new research opportunities and applications in fields ranging from quantum communication to imaging and beyond.
“The ability to transfer quantum coherence via scattered photons means that now you can do many things that previously required direct line-of-sight free-space channels,” said Shihan Sajeed, lead author on the paper and a postdoctoral fellow at IQC and in the Department of Physics and Astronomy.
Normally, if you try to send and receive photons through the air (free-space) for quantum communication or any other quantum-encoded protocol, you need a direct line-of-sight between transmitter and receiver. Any objects—from as big as a wall to as small as a molecule—in the optical path will reflect some photons and scatter others, depending on how reflective the surface is.
Any quantum information encoded in the photons is typically lost in the scattered photons, interrupting the quantum channel.
Together with Thomas Jennewein, principal investigator of the Quantum Photonics lab at IQC, they found a way to encode quantum coherence in pairs of photon pulses sent one after the other so that they would maintain their coherence even after scattering from a diffuse surface.
The researchers emitted two laser pulses with a different phase from each other that would interfere when combined—in other words, that were coherent. This quality of coherence is measured by visibility. The team placed detectors where they would only absorb scattered photons from the laser pulses, and observed a visibility of over 90%, meaning that they maintained their quantum coherence even after smashing against an object.
Their novel technique required custom hardware to make use of the coherent light they were generating. The single-photon-detector-array the team used to measure the returning light could detect one billion photons every second with a precision of 100 picoseconds. Only cutting-edge time-tagging electronics could handle the demands of this flow of light, and the team had to design their own electronics adapter board to communicate between the detectors and the computer that would process the data.
“Our technique can help image an object with quantum signals or transmit a quantum message in a noisy environment,” said Sajeed. “Scattered photons returning to our sensor will have a certain coherence, whereas noise in the environment will not, and so we can reject everything except the photons we originally sent.”
Sajeed expects their findings will stimulate new research and applications in quantum sensing, communication, and imaging in free space environments. The duo demonstrated quantum communication and imaging in their paper, but Sajeed said more research is needed to find out how their techniques could be used in various practical applications.
“We believe this could be used in quantum-enhanced Lidar (Light Detection and Ranging), quantum sensing, non-line-of-sight imaging, and many other areas—the possibilities are endless,” said Sajeed.
Observing quantum coherence from photons scattered in free-space was published in Light: Science & Applications on June 7, 2021.
This work was supported by the National Research Council Canada, Defence Research Development Canada, Industry Canada, Canada Fund for Innovation, Ontario MRI, Ontario Research Fund, NSERC through the Discovery, CryptoWorks21, Strategic Partnership Grant programs, and the Canada First Research Excellence Fund through TQT.
Communication et imagerie quantiques sans visibilité directe, grâce à de nouvelles recherches
Pour la première fois, des chercheurs ont transféré avec succès une cohérence quantique par l’intermédiaire de photons dispersés dans l’espace libre, ce qui ouvre de nouvelles avenues de recherche et des applications dans des domaines tels que les communications et l’imagerie quantiques.
« La capacité de transférer une cohérence quantique par l’intermédiaire de photons dispersés signifie que l’on peut maintenant faire beaucoup de choses qui exigeaient auparavant une visibilité directe dans l’espace libre » [traduction], a déclaré Shihan Sajeed, premier auteur de l’article et postdoctorant à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo.
Normalement, pour envoyer et recevoir des photons dans l’air (espace libre) pour des communications quantiques ou tout autre protocole codé de manière quantique, il faut une visibilité directe entre le transmetteur et le récepteur. Tout objet — aussi gros qu’un mur ou aussi petit qu’une molécule — situé sur le chemin optique va réfléchir certains photons et en disperser d’autres, en fonction de la réflexivité de la surface.
Toute information quantique codée dans les photons est généralement perdue dans les photons dispersés, ce qui rompt le canal de communication quantique.
Avec Thomas Jennewein, chercheur principal au laboratoire de photonique quantique de l’IQC, l’équipe a trouvé une manière de coder la cohérence quantique dans des paires d’impulsions photoniques émises l’une après l’autre, de telle sorte que la cohérence soit conservée même après la dispersion sur une surface diffuse.
Les chercheurs ont émis 2 impulsions laser ayant des phases différentes et interférant l’une avec l’autre une fois combinées — autrement dit des impulsions cohérentes. Cette qualité de cohérence est mesurée par la visibilité des photons. L’équipe a placé des détecteurs là où ils n’absorbaient que des photons dispersés provenant des impulsions laser, et elle a observé une visibilité de plus de 90 %, ce qui signifie que les photons ont conservé leur cohérence quantique même après avoir heurté un objet.
Cette technique innovatrice a exigé un matériel conçu spécifiquement pour mesurer la lumière cohérente produite. Le réseau de détecteurs de photons individuels employé par l’équipe pour mesurer la lumière recueillie pouvait détecter un milliard de photons par seconde avec une précision de 100 picosecondes. Seul un dispositif électronique de pointe pouvait traiter un tel flux de lumière, et l’équipe a dû concevoir son propre adaptateur électronique entre les détecteurs et l’ordinateur programmé pour traiter les données.
« Notre technique peut aider à créer une image d’un objet à l’aide de signaux quantiques ou à transmettre un message quantique dans un environnement bruyant, dit M. Sajeed. Les photons dispersés détectés par notre capteur ont une certaine cohérence, alors que le bruit présent dans l’environnement n’en a pas, de sorte que nous pouvons rejeter tout sauf les photons émis à l’origine. » [traduction]
M. Sajeed s’attend à ce que ces résultats favorisent de nouvelles recherches et applications en détection, communication et imagerie quantiques dans des milieux d’espace libre. Dans leur article, les auteurs ont fait une démonstration de communication et d’imagerie quantiques, mais M. Sajeed dit que davantage de recherches permettraient de trouver comment leurs techniques seraient utilisables dans diverses applications pratiques.
« Nous croyons qu’elles pourraient servir dans diverses applications : lidar (télédétection par laser) enrichi de manière quantique, détection quantique, imagerie sans visibilité directe, etc., dit M. Sajeed. Les possibilités sont illimitées. » [traduction]
L’article Observing quantum coherence from photons scattered in free-space (Observation de la cohérence quantique de photons dispersés dans l’espace libre) a été publié le 7 juin 2021 dans Light: Science & Applications.
Ces travaux ont été financés par les organismes suivants : le Conseil national de recherches du Canada; Recherche et développement pour la défense Canada; Industrie Canada; la Fondation canadienne pour l'innovation; IRM Ontario; le Fonds pour la recherche en Ontario; le CRSNG, par l’intermédiaire du programme de subventions à la découverte, de CryptoWorks21 et du programme de subventions de partenariat stratégique; le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (FERAC), par l’intermédiaire du groupe Technologies quantiques transformatrices.