Supraconducteur et Led, une nouvelle recette pour des photons intriqués

Les sources de paires de photons intriqués sont généralement des oscillateurs paramétriques optiques (OPO), comme celui-ci qui fonctionne dans l'infrarouge. Les OPO sont à la frontière de l'optique quantique et de l'optique non linéaire. Ils sont encore assez encombrants et les lasers qu'ils utilisent comme pompe à photons initiale restent coûteux. © Kkmurray, Wikipédia, cc by 3.0 

Les technologies et les domaines de recherche basés sur la théorie de l'information quantique sont en plein développement. Les plus célèbres concernent la cryptographie, les calculateurs quantiques et l'effet EPR. On y utilise des paires de particules intriquées, souvent des photons. Disposer de sources de paires de photons intriqués de plus en plus efficaces est donc un des facteurs de progrès dans ces thèmes de recherche. En général, on utilise un faisceau laser que l'on fait passer à travers un certain cristal qui a un comportement non linéaire avec la lumière du faisceau. Le cristal constitue ce qu'on appelle un oscillateur paramétrique optique (OPO). Il permet de convertir un photon de la lumière laser en deux photons de fréquence inférieure mais formant une paire intriquée.

Une équipe de physiciens de l'université de Toronto pense qu'il est possible de fabriquer des sources de paires de photons intriqués plus efficaces, plus petites et moins coûteuses en s'y prenant autrement. Il ne s'agit encore que de calculs théoriques qu'ils ont exposés dans un article en accès libre sur arxiv. L'idée centrale de leur travail est d'utiliser des paires de Cooper injectées dans une diode électroluminescente, une Led donc.

De gauche à droite, John Robert Schrieffer, John Bardeen et Leon Cooper, les auteurs de la théorie BCS expliquant les supraconducteurs conventionnels. On sait que des paires de Cooper, des électrons appariés, doivent se former aussi dans les supraconducteurs exotiques, mais on n'en comprend pas vraiment la raison. On suspecte toutefois l'influence de forces magnétiques. © University of Illinois 

Des paires de Cooper aux paires de photons intriqués

Rappelons que les paires de Cooper se forment dans des matériaux supraconducteurs en dessous de leur température critique. Dans le cas des supraconducteurs ordinaires décrits par la théorie BCS, les phonons des réseaux cristallins, c'est-à-dire l'équivalent des photons pour les ondes sonores, forcent les électrons libres dans un supraconducteur à s'associer par paires. Les spins de chaque électron sont demi-entiers, mais en formant une paire de Cooper, ils se combinent de sorte que l'objet quantique obtenu ne se comporte plus comme un fermion, mais comme un boson de spin entier. Le gaz de paires de Cooper dans un métal peut alors s'écouler comme un superfluide sans rencontrer de résistance si sa température est suffisamment basse.

Les physiciens canadiens ont montré qu'en mettant en contact un supraconducteur avec le semi-conducteur adéquat d'une Led, une partie des paires de Cooper pouvait transiter dans la Led et y donner lieu à l'émission directe d'une paire de photons intriqués.

Si les chercheurs ont raison, cette nouvelle méthode ouvrirait de nouvelles portes pour la réalisation de dispositifs exploitant le phénomène d'intrication quantique, mais elle pourrait aussi servir à mieux comprendre ce qui se passe à l'intérieur des supraconducteurs non conventionnels. On ne sait toujours pas vraiment pourquoi des paires de Cooper se forment à haute température dans les cuprates par exemple.