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Électronique du futur : deux pas importants vers les puces lumineuses

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Coup sur coup, deux équipes viennent de réaliser un exploit : l'une est parvenue à ralentir suffisamment la lumière pour la stocker dans une sorte de mémoire tampon. L'autre l'a transformée momentanément en matière avant de la recréer un peu plus loin. Les applications ? L'électronique du futur où le photon remplacera souvent l'électron.

Quand la lumière file dans les fibres optiques, il n'est pas possible de l'arrêter et encore moins de la stocker quelque part, même provisoirement. Difficile, donc, d'imaginer un processeur ou une mémoire dans lesquels la lumière serait manipulée comme le courant électrique. Dociles, les électrons, eux, acceptent d'être parqués dans des batteries, accélérés, freinés ou entassés dans ces sortes de salles d'attente que sont les condensateurs.

Dompter les photons de cette manière serait d'un intérêt énorme pour l'informatique et les télécommunications. La lumière remplaçant le courant électrique ouvrirait une nouvelle génération de puces (« photoniques » ou au moins « optronique » s'il reste un peu d'électronique dedans) aux capacités très supérieures à celles de l'électronique actuelle. L'un des objectifs est de ralentir la lumière, voire de l'arrêter, pour stocker l'information, au moins provisoirement.

De la lumière transformée en matière

Lene Vestergaard Hau est l'une de ces dresseuses de photons et elle vient de réussir un extraordinaire numéro. Depuis des années, elle utilise l'une des voies possibles : envoyer la lumière dans un nuage de gaz extrêmement froid, presque au zéro absolu. En 1999, elle et son équipe ralentissaient les photons à une soixantaine de kilomètres à l'heure. Elle les freinait à 1,5 kilomètre/heure en 2000 pour parvenir à les arrêter complètement en 2001.

Aujourd'hui, son équipe vient de faire encore plus fort : un faisceau laser a disparu pour réapparaître 50 micromètres plus loin ! Tout d'abord, une impulsion laser très brève est envoyée sur un petit nuage de vapeur de sodium (deux millions d'atomes) refroidi à 600 millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Le gaz forme alors un condensat de Bose-Einstein, une curieuse situation où les atomes se trouvent tous dans le même état quantique et se comportent comme une onde. La vitesse de la lumière dégringole à 24 kilomètres/heure. A cette allure de sénateur, la courte impulsion laser, qui se serait étalée sur un kilomètre à la vitesse de la lumière dans le vide, ne mesure que 20 micromètres et reste donc confinée dans le nuage.

C'est là que le phénomène se produit : l'impulsion laser communique sa forme à la matière du condensat. La lumière coupée, l'information qu'elle contenait est maintenant portée par les atomes du gaz, assimilables à une onde. Quelques-uns de ces atomes sont alors poussés vers un second nuage de sodium ultra-froid, situé 50 micromètres plus loin. Ce nuage se met à vibrer à l'unisson de ces nouveaux arrivants, récupérant ainsi l'information. Une seconde impulsion laser traverse alors ce nuage et en ressort codée comme l'impulsion originelle.

On récupère donc à la sortie l'information que l'on avait introduite à l'entrée. Mais, entre-temps, elle a été transférée momentanément à une structure matérielle.

Lumière retardée, mais pas dégradée

Ce qu'a réalisé une équipe de l'Université de Rochester peut paraître moins spectaculaire mais c'est une étape tout aussi importante. De très courtes impulsions laser traversent un nuage de césium porté à une température d'environ 100 °C et enfermé dans une ampoule d'une dizaine de centimètres de longueur. A l'intérieur, la vitesse de la lumière est 300 fois plus faible que dans l'air (où elle est très peu différente de celle dans le vide). A la sortie, les impulsions laser ressortent intactes, donc porteuses de la même information.

L'image n'est guère impressionnante mais entre l'objet et elle, la lumière a été ralentie sur une dizaine de centimètres sans subir la moindre altération : la première mémoire tampon pour photons a fonctionné ! Crédit : University of Rochester

Cette expérience a déjà été réalisée de nombreuses fois mais il y a ici une différence : un dispositif optique forme une image, en l'occurrence celle d'une petite plaque sur laquelle a été gravée les deux lettres « UR » (pour Université de Rochester). Chaque seconde, quelque trois millions de photons traversent ce motif. C'est très peu : en moyenne, chaque impulsion en contient moins de 1, c'est-à-dire que certaines n'en contiennent pas du tout et d'autres plusieurs. Il en a fallu cent millions pour reconstituer la modeste image de l'expérience.

Malgré cette lumière très faible, les impulsions laser sont récupérées et restituent fidèlement les deux lettres UR, mais 100 nanosecondes plus tard que si elles n'avait pas été ralenties. Jamais une quantité d'informations aussi grande que celle d'une véritable image n'a été retardée de cette manière.

Cette prouesse fera sûrement tinter les oreilles des astronomes travaillant sur des télescopes multiples (comme le VLT). Afin de s'assurer que les images produites par les différents télescopes arrivent exactement en même temps sur l'instrument de mesure, on doit envoyer la lumière dans de longues lignes de retard, formées de petits miroirs plans, pour allonger leur trajet.

Bien sûr, on en est encore au laboratoire. Les industriels de l'électronique et des télécommunications attendront encore des années avant de profiter de ces innovations.

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