Des techniques d’inspiration quantique mesurent le temps avec une précision inédite

Thursday, February 18, 2021

John DonohueIn English.

La mesure précise d’intervalles de temps et de différences de couleur est au cœur de nombreuses technologies modernes, dont celles de la spectroscopie et du radar. Des recherches menées par John Donohue, gestionnaire principal, diffusion des connaissances, à l’Institut d’informatique quantique (IQC), font appel à des techniques d’inspiration quantique pour atteindre un nouveau degré de précision dans les mesures.

En 2017 et 2018, M. Donohue a été postdoctorant au sein du groupe d’optique quantique intégrée de la professeure Christine Silberhorn, à l’Université de Paderborn, en Allemagne. Cette équipe, avec des collaborateurs de l’Université Palacký d’Olomouc et de l’Université Complutense de Madrid, vient de démontrer une nouvelle méthode de mesure et de caractérisation d’impulsions de lumière avec une précision temporelle améliorée.

La clé de cette technique est un guide d’ondes maison, appelé porte d’impulsions quantiques, mis au point à l’Université de Paderborn. Cette petite puce confine et guide la lumière comme une fibre optique, mais elle a aussi d’autres capacités formidables.

Lorsqu’un rayon laser est focalisé sur un petit point, il reprend rapidement sa taille originale. Lorsqu’ils sont piégés dans un guide d’ondes, les rayons laser et les photons peuvent être confinés à l’intérieur d’une largeur de quelques micromètres et conserver cette propriété sur quelques centimètres.

« Avec les guides d’ondes, dit M. Donohue, il est beaucoup plus efficace et facile d’étudier certains effets, que l’on pourrait difficilement étudier en focalisant les rayons laser dans des cristaux ou d’autres dispositifs optiques. » [traduction]

Lorsqu’il n’est pas possible de mesurer physiquement la distance entre 2 objets, par exemple entre 2 étoiles dans l’espace, il faut la calculer d’une manière indirecte. Une manière de calculer et d’estimer la distance entre 2 objets ou 2 signaux consiste à utiliser une mesure optique du temps pour détecter des impulsions lumineuses. Par contre, cela peut être incroyablement difficile si ces impulsions ne sont pas cohérentes.

« Si 2 impulsions sont si proches l’une de l’autre qu’elles se fondent l’une dans l’autre, je ne peux pas facilement les distinguer, dit M. Donohue. J’aurais besoin d’énormément d’information pour répondre avec précision à la simple question de savoir combien de temps il y a entre les deux. En langage quantique, pour obtenir davantage d’information, il faut mesurer plus de photons. Comment peut-on alors obtenir cette information en mesurant le moins de photons possible? » [traduction]

John Donohue sait qu’avec des mesures de nature différente, inspirées de la recherche sur l’information quantique, il peut éliminer ce problème. Cela lui permet d’obtenir une information précise grâce à la projection de formes modales spécifiques.

S’inspirant de travaux effectués en optique spatiale, les membres de l’équipe ont appliqué cette idée à la mesure d’intervalles de temps. Au lieu de s’intéresser à la distance entre 2 objets, ils ont cherché à mesurer l’intervalle de temps entre 2 événements.

C’est là que le guide d’ondes s’est avéré primordial.

Ce dispositif est capable de décomposer des impulsions selon leur forme plutôt que selon le moment de leur arrivée. Au lieu de sonder à quel moment une impulsion arrive, le dispositif cherche à savoir à quelle superposition précise de moments elle aurait pu arriver. En décomposant l’impulsion en ces formes, on peut estimer efficacement des propriétés telles que les intervalles de temps entre les impulsions et les intensités relatives de celles-ci.

Dans sa démonstration expérimentale, l’équipe a mis l’accent sur la précision avec laquelle elle pouvait faire l’estimation de ces paramètres pour chaque photon mesuré. Les chercheurs se sont rendu compte que leur technique représentait une amélioration significative par rapport aux meilleures mesures standard existantes.

M. Donohue espère que ces outils pourront être utilisés et appliqués dans le domaine de l’information quantique, par exemple pour mesurer l’intrication de photons selon la forme des impulsions et étudier la communication quantique.

« Non seulement ces dispositifs sont très utiles en optique classique, dit M. Donohue, mais leur étude du point de vue de l’information quantique pourrait ouvrir beaucoup de nouvelles avenues. » [traduction]

L’article intitulé Achieving the Ultimate Quantum Timing Resolution (Obtenir la résolution temporelle quantique ultime) a été publié le 4 janvier 2021 dans la revue PRX Quantum.

  

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