Les photons intriqués sont des particules de lumière formant des paires qui présentent une corrélation qu’aucune théorie de la physique classique ne peut expliquer. Ils constituent une ressource essentielle pour la communication quantique, l’informatique quantique et la métrologie quantique. Ces paires de photons sont généralement produites par un processus appelé « conversion paramétrique descendante spontanée » (spontaneous parametric down-conversion, ou SPDC, en anglais), qui consiste à convertir les photons d’un faisceau de pompage traversant un cristal non linéaire en paires de photons, ou « daughter photons », en anglais.
Le laser perd son caractère distinctif
Pendant des décennies, le laser a été considéré comme la seule source de pompage adaptée au processus SPDC, la lumière solaire étant jugée impropre à cet usage. Cette conviction reposait sur deux hypothèses fondamentales. On estimait, premièrement, que la forte cohérence optique des lasers était essentielle. La cohérence optique désigne la capacité des ondes lumineuses à entretenir entre elles une relation temporelle ou spatiale fixe et synchronisée. On présumait alors que les corrélations quantiques obtenues par SPDC ne pouvaient être générées qu’à partir de champs électromagnétiques stables en phase. On croyait également que seuls les lasers pouvaient fournir les densités de puissance optique nécessaires aux processus optiques non linéaires. La lumière solaire naturelle étant à la fois incohérente et beaucoup moins intense que la lumière laser, beaucoup de scientifiques l’avaient écartée comme source viable de pompage capable de générer des photons intriqués.
Or, dans le cadre d’un projet de recherche collaboratif mené par l’Institut Max Planck pour la science de la lumière, le Centre Max Planck pour la photonique extrême et quantique et l’Université d’Ottawa, des scientifiques ont démontré pour la première fois que, contrairement au point de vue scientifique admis jusqu’alors, des photons intriqués pouvaient être générés à partir de lumière solaire.
L’incohérence laisse place à l’intrication
Dans le domaine de l’optique, la « cohérence » n’est pas une propriété unique. La lumière peut être décrite au moyen de différents paramètres physiques appelés « degrés de liberté ». Elle peut ainsi présenter un comportement ordonné dans un degré de liberté tout en demeurant désordonnée dans un autre. Par exemple, un faisceau lumineux peut être parfaitement polarisé tout en étant totalement incohérent sur les plans spatial et temporel. Dans le cas de la SPDC, l’incohérence du faisceau de pompage dans un degré de liberté donné limite l’intrication à ce même degré de liberté. On sait, par exemple, que l’intrication position-quantité de mouvement – un type d’intrication spatiale – disparaît lorsque le faisceau perd sa cohérence spatiale. Cette relation ne s’applique toutefois pas lorsque l’intrication recherchée se produit dans un degré de liberté différent de celui dans lequel le faisceau présente une incohérence. « Tant que le faisceau de pompage est parfaitement polarisé, son incohérence spatiale ou temporelle ne devrait pas empêcher une intrication de polarisation », explique Cheng Li, Ph.D., membre de l’équipe de recherche du professeur Robert Boyd, à l’Université d’Ottawa. « Pour exploiter la lumière solaire, il faut empêcher ses différents degrés de liberté d’interagir entre eux pendant le processus. Autrement dit, la lumière solaire est tout à fait capable de générer des photons intriqués, pourvu que l’on puisse concentrer une quantité suffisante de lumière sur un cristal non linéaire afin de provoquer une SPDC. »
Le concentrateur solaire fournit la puissance de pompage requise
L’ouverture utile d’un cristal optique non linéaire ne mesure généralement que quelques millimètres. Pour diriger une quantité suffisante de lumière solaire – qui se répartit largement dans l’environnement naturel – sur une superficie aussi petite, le groupe de recherche dirigé par Hanieh Fattahi, Ph.D., à l’Institut Max Planck pour la science de la lumière, a conçu un système de concentration de lumière solaire qui focalise la lumière sur une superficie de 1,4 m2, puis la canalise dans une fibre aussi mince qu’un cheveu humain.
En son cœur se trouve un concentrateur solaire conçu et fabriqué à l’Institut. Il s’agit d’un dispositif conique en verre, dont la base est placée au point focal d’une grande lentille de Fresnel montée sur un moteur de suivi solaire. La lumière ainsi focalisée est ensuite concentrée par réflexions internes totales pendant qu’elle se dirige vers la pointe du dispositif conique, où elle est couplée dans une fibre multimodale. Cette dernière guide alors la lumière dans un cristal non linéaire afin de provoquer une intrication par SPDC.
« Ces travaux pourraient rapprocher ultimement les technologies quantiques alimentées par la lumière solaire d’applications plus concrètes »
Robert Boyd
— Professeur titulaire, Département de physique de l'Université d'Ottawa
Intrication générée directement à partir de lumière solaire
Comme l’avait prédit l’équipe de Robert Boyd, la SPDC a permis de générer, à partir de lumière solaire, des paires de photons fortement intriqués, avec une fidélité d’environ 94 %, c’est-à-dire très près de celle obtenue avec un système à laser. Les photons issus du processus SPDC présentent également des corrélations qui violent les inégalités de Bell, ce qui indique que ces corrélations ne peuvent pas être modélisées en appliquant les théories classiques de la physique et qu’elles constituent effectivement des manifestations de l’intrication quantique.
L’équipe de recherche a également constaté que, lorsque le taux de production de photons est normalisé en fonction de la puissance de pompage et de la largeur de bande effective du processus non linéaire, l’efficacité d’un dispositif d’intrication par lumière solaire est comparable à celle obtenue avec un système à laser. Cette découverte laisse entendre que les lasers ne procurent peut-être pas autant d’avantages fondamentaux par rapport à la lumière solaire que les scientifiques le présumaient. Des sources de lumière quantique alimentées par lumière solaire pourraient devenir de plus en plus viables grâce à des optimisations techniques, notamment en ce qui concerne la collecte de la lumière solaire et l’exploitation de la largeur de bande. « La lumière solaire est une ressource abondante et fiable dans de nombreux environnements, tels que l’espace. La capacité de générer des photons quantiquement intriqués directement à partir de cette lumière pourrait permettre la conception de systèmes quantiques plus simples et plus robustes pour les satellites et d’éventuelles missions spatiales lointaines », explique Hanieh Fattahi.
Les dispositifs quantiques alimentés par lumière solaire offrent également d’autres avantages par rapport aux lasers. Grâce au large spectre de la lumière solaire, on pourrait obtenir des photons intriqués couvrant une gamme plus étendue de longueurs d’onde, notamment là où les lasers ne sont pas disponibles. Qui plus est, l’alimentation directe des sources de lumière quantique par la lumière solaire élimine complètement la nécessité de recourir à la conversion électrique-optique – aucun système de stabilisation actif n’est requis, et la gestion de la chaleur résiduelle est grandement réduite. Un tel système comporte donc moins de points de défaillance potentiels. Cette caractéristique est particulièrement intéressante pour des applications dans des environnements d’importance stratégique à ressources restreintes, comme les satellites, les missions interplanétaires et les régions éloignées, comme l’Arctique. Par exemple, un engin spatial placé sur une orbite héliosynchrone bénéficierait d’un accès presque ininterrompu à sa source de pompage.
« Le plus stimulant dans ces travaux, c’est qu’ils ne font que commencer, s’enthousiasme Robert Boyd. En plus de la SPDC, bien d’autres approches d’optique non linéaire permettent de générer des photons intriqués, dont le mélange à quatre ondes. L’efficacité de chacune de ces interactions non linéaires peut être améliorée par différentes approches. Nous croyons que ces travaux pourraient jeter les bases de nouvelles activités de recherche en optique non linéaire et en optique quantique, et rapprocher ultimement les technologies quantiques alimentées par la lumière solaire d’applications plus concrètes. »
Publication originale dans la revue Optica :
C. Li, J. Brar, M. Kublbock, J. Upham, H. Fattahi et R. W. Boyd, « Generating quantum entanglement from sunlight », 13, Optica (2026). DOI : 10.1364/OPTICA.601797.