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Un nouveau transistor quantique... avec un seul atome !

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Une équipe de chercheurs du Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), à Garching en Allemagne, est parvenue à créer un transistor optique quantique en utilisant un seul atome à l'intérieur d'une cavité optique. C'est une pierre de plus dans la construction d'une technologie foncièrement quantique pour le traitement de l'information.

Schéma illustrant l'expérience réalisée avec une cavité optique, un atome de rubidium et deux faisceaux laser. A gauche, les photons du faisceau laser faible (en bleu) ne passent pas et sont réfléchis. A droite, lorsqu'un autre faisceau laser (rouge) irradie l'atome dans la cavité, la transparence est rétablie. C'est la transparence induite électromagnétiquement. Crédit : Max Planck Institute of Quantum Optics

On date généralement à 1927 la constitution de la théorie quantique en tant qu'ensemble cohérent et complet. Ce choix est plus ou moins conventionnel car la majeure partie des éléments de la mécanique quantique étaient là avant et certaines de ses conséquences importantes, comme l'intrication quantique, ne deviendront vraiment visibles que durant les années 1930. En fait, cette date correspond au célèbre congrès Solvay qui a réuni les pères fondateurs de la théorie quantique, Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Born et d'autres parmi lesquels il faut citer Dirac, Pauli et de Broglie.

Depuis lors, la révolution quantique ne cesse de prendre de l'ampleur et on peut penser que l'on est encore loin d'en saisir toute la portée. En témoignent les multiples expériences d'optique quantique moderne cherchant à mieux cerner les conditions du passage de la physique quantique à la physique classique dans la description d'un système, et, surtout, l'essor des travaux sur l'information quantique.


Une vidéo exceptionnelle du Congrès Solvay de 1927 prise par Irving Langmuir. Crédit : Nancy Thorndike Greenspan

La lumière contrôle la lumière

Ces recherches ne sont pas indépendantes de ce que l'on appelle actuellement l'exploration du nanomonde, en particulier le domaine de la miniaturisation des composants électroniques. On a ainsi vu tout récemment un transistor quantique créé atome par atome à l'aide d'un microscope à effet tunnel.

Récemment, des membres du Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) ont publié conjointement dans Nature un article décrivant la réalisation d'un transistor optique quantique avec un seul atome dans une cavité optique. Pour réussir cette prouesse, l'équipe a mis à profit un phénomène physique baptisé transparence induite électromagnétiquement, ou EIT (Electromagnetically Induced Transparency).

En général, l'EIT est observée au sein d'une population importante d'atomes dans un milieu dont la transparence peut être pilotée à l'aide d'une onde électromagnétique. Les expériences font le plus souvent intervenir deux faisceaux lasers. Le premier, plus intense, rend le milieu transparent ou non aux photons de l'autre faisceau, qui est plus faible.

Les auteurs de l'expérience décrite dans Nature utilisent une cavité optique transparente pour un faisceau laser faible. En y ajoutant un unique atome de rubidium, un couplage se produit avec cette cavité, qui la conduit à réfléchir la lumière du premier laser, laquelle, donc, ne passe plus.

Toutefois, si l'on soumet l'atome à un second faisceau laser incident selon une direction perpendiculaire à l'axe optique de la cavité, la transparence est rétablie. Le résultat est moins trivial qu'il n'en a l'air car, d'une certaine façon, tout se passe comme si de la lumière contrôlait de la lumière. Un tel phénomène non-linéaire n'est pas possible avec de la lumière seule à cause de la linéarité des équations de Maxwell. Ce genre de dispositif est donc un excellent moyen d'explorer les possibilités ouvertes par le contrôle de la lumière par la lumière, même si c'est grâce à un atome.

Les chercheurs n'en sont pas restés là et ont aussi testé les prédictions théoriques concernant l'ajout un par un d'atomes dans la cavité. Les résultats obtenus sont en parfait accord avec les prédictions de l'électrodynamique quantique.

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