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Record : des ondes radio à OAM sur 3 km, un espoir de débits très élevés

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Les ondes électromagnétiques transportant un moment angulaire orbital (OAM) sont prometteuses car elles étendent les canaux de transmission disponibles. Elles permettraient aussi le transfert d'informations à haut débit pourvu que le signal ne soit pas dégradé par la turbulence de l'air. L'obstacle semble surmontable avec des faisceaux laser comme vient de le montrer un groupe de chercheurs autrichiens.

Un modulateur spatial de lumière (représenté sur la gauche du schéma) permet de produire des ondes à OAM avec un faisceau laser de couleur verte. Malgré la forte turbulence de l'air régnant dans une grande ville comme Vienne, il a été possible de battre un record de distance pour la transmission d'images avec des ondes à OAM, à savoir 3 km. Une caméra CCD était utilisée pour observer et enregistrer les modes d'éclairement induits par différentes ondes à OAM que l'on voit à droite. © Vienna Center for Quantum Science and Technology

Le village global que nous habitons est en pleine course à la transmission de quantités d'informations de plus en plus massives en un temps sans cesse plus court. Comme toujours, les lois de la physique sont mobilisées à travers l'inventivité des ingénieurs afin de répondre à ces besoins. Ils explorent depuis quelque temps une possibilité offerte par le transport de moment cinétique avec de la lumière. Il en est un utilisé depuis longtemps, basé sur ce qu'on entend ordinairement par la polarisation de la lumière. Rappelons que celle-ci est une onde que l'on peut décrire par les oscillations d'un champ électrique, perpendiculairement à la direction d'un rayon lumineux. Le vecteur de champ électrique de la lumière peut aussi tourner dans le plan perpendiculaire à ce rayon selon deux sens en gardant son extrémité sur un cercle. On parle alors de polarisation circulaire et, dans le cadre de la théorie quantique, on peut l'associer au moment cinétique des photons de l'onde de lumière à une fréquence donnée, c'est-à-dire à leur spin.

Il existe toutefois une autre façon pour un champ électromagnétique de transporter du moment cinétique. Avec le premier mode, celui reposant sur la polarisation, le front d'ondes accompagnant la propagation selon un rayon lumineux reste fixe par rapport à sa direction. Mais avec ce second mode, le front est en quelque sorte en rotation par rapport à la direction de propagation. On peut se faire une idée plus claire du phénomène si l'on considère un rayon lumineux un peu comme un jet d'eau en rotation mais se propageant normalement de façon rectiligne: le second mode de transfert du moment cinétique serait ainsi associé à la propagation d'un rayon tordu et en spirale, tel un tire-bouchon. On parle alors d'onde portant un moment angulaire orbital, ou OAM pour Orbital Angular Momentum.

Un modulateur spatial de lumière (SLM ou Spatial Light Modulator) peut être utilisé pour fabriquer des ondes à OAM avec un laser. Comme le montrent les images de cette vidéo, l'éclairement d'un écran avec ces ondes donne différentes formes qui font penser aux modes de vibration des membranes telles que les révèlent les figures de Chladni en acoustique. Ces modes peuvent être utilisés notamment pour coder en binaire 16 bits d'information correspondant à des nuances de gris (grey). © New Journal of Physics, YouTube

Des télécommunications classiques et quantiques

Une autre analogie peut aider à comprendre ces distinctions entre les différentes façons dont une onde porte un moment cinétique. Celui de la Terre en rotation peut être appelé son spin, comme pour un photon, alors que la révolution de la Terre autour du Soleil lui confère un moment angulaire orbital. Alors que le spin d'un photon ne peut prendre que deux états, il en existe une infinité pour le moment angulaire orbital, de sorte qu'une onde à OAM (Twisted light en anglais) peut offrir un nombre potentiellement illimité de canaux de transmission.

Des ondes à OAM ont déjà été transmises sur des distances kilométriques avec des fibres optiques mais pas dans l'atmosphère, les expériences s'étant jusque-là limitées à quelques centaines de mètres. Dans l'idéal, on voudrait utiliser de telles ondes pour transmettre à des satellites des informations depuis le sol. Se pose alors le problème de savoir si la turbulence de l'atmosphère ne rend pas chimérique ce projet. Un groupe de chercheurs autrichiens de l'université de Vienne et son Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) vient de battre un record pour la propagation des OAM dans l'air. Comme ils l'expliquent dans un article déposé sur Arxiv, ils ont transmis des images avec succès sur une distance de 3 km au moyen de faisceaux laser utilisant ce mode de télécommunication.

Comme le montre la vidéo, les chercheurs ont utilisé des états de moment angulaire orbital se manifestant sous des formes d'éclairement différentes sur un écran pour coder des nombres binaires. Cela leur a permis de faire voyager des informations correspondant aux portraits de Wolfgang Amadeus Mozart, de Ludwig Boltzmann et d'Erwin Schrödinger. Les perturbations présentes dans la transmission dues à la turbulence ont été soustraites à l'aide d'une méthode de traitement du signal basée sur les réseaux de neurones artificiels.

Preuve est faite que l'on peut utiliser les OAM dans des réseaux de télécommunication du futur malgré la turbulence atmosphérique. Celle-ci est en effet assez forte dans une ville comme Vienne. Les physiciens pensent que cette technique n'est pas limitée à des transferts classiques d'informations et qu'elle pourrait être utilisée pour de la cryptographie quantique.