Une équipe de recherche de l’Université d’Ottawa et de son Institut Nexus de technologies quantiques, en collaboration avec une équipe scientifique de l’Université Federico II en Italie, a mis au point un simulateur quantique programmable capable de modeler un faisceau lumineux pour reproduire le mouvement des particules dans des matériaux complexes, évitant ainsi le recours à du matériel électronique toujours plus volumineux.
Plutôt que de relier entre eux des circuits complexes, les chercheuses et chercheurs modèlent minutieusement la structure spatiale et la polarisation, deux degrés de liberté intrinsèques des photons, de sorte qu’ils évoluent comme le feraient des électrons à l’intérieur d’un cristal. Trois écrans optiques programmables, appelés modulateurs spatiaux de lumière, assurent l’essentiel du travail; une simple mise à jour logicielle suffit pour reconfigurer l’ensemble de l’expérience en vue d’une nouvelle simulation.
« Nous programmons la structure de la lumière comme un musicien accorde un instrument, explique Ebrahim Karimi, professeur titulaire au Département de physique de l’Université d’Ottawa. Chaque configuration permet aux photons de se déplacer dans un matériau virtuel différent, et nous pouvons en explorer des centaines, sans toucher aux composantes optiques. »
La lumière pour principal outil
Au moyen d’une lumière laser classique et de photons individuels, l’équipe a validé la plateforme en exécutant plus de 300 processus quantiques distincts et en répartissant un faisceau d’entrée unique sur des milliers de canaux de sortie. Dans l’une des séries d’expériences, le simulateur a reproduit les signatures caractéristiques des matériaux topologiques, des phases exotiques de la matière où la géométrie interne protège les électrons des perturbations – un phénomène au cœur de l’électronique de prochaine génération.
« La topologie est un sujet d’actualité en physique de la matière condensée, mais il est notoirement difficile d’en mesurer directement les effets, explique Alessio D’Errico, associé de recherche principal dans l’équipe du professeur Karimi. Notre plateforme optique nous permet d’observer ces effets se produire en temps réel, directement sur une caméra. »
La portée du système dépasse largement les limites des réseaux plans. En reprogrammant les motifs optiques, un même montage simule le mouvement des particules sur des boucles fermées, des cylindres et des surfaces toroïdales, des géométries qui reproduisent certaines propriétés des matériaux quantiques avancés qui n’ont que rarement, voire jamais, été reproduits dans le cadre d’une expérience purement photonique.
« Un tore ou un cylindre peut sembler abstrait, mais ces formes correspondent à des phénomènes physiques bien réels, poursuit Alessio D’Errico. Le fait de pouvoir toutes les explorer dans un seul dispositif compact reconfigurable est une véritable avancée pour la simulation quantique. »
« Nous programmons la structure de la lumière comme un musicien accorde un instrument »
Ebrahim Karimi
— Professeur titulaire au Département de physique de l’Université d’Ottawa
Un laboratoire quantique nouveau genre
Comme l’information réside dans la lumière, chaque étape de l’évolution quantique peut être directement photographiée, ce qui offre aux chercheuses et chercheurs une vision exceptionnellement claire de dynamiques qui sont généralement profondément enfouies dans des dispositifs à semi-conducteurs. Ces travaux ouvrent la voie à l’utilisation de plateformes photoniques compactes pour étudier le transport quantique, explorer les phénomènes topologiques et mettre au point des éléments constitutifs pour de futures technologies quantiques.
« Nous avons en quelque sorte transformé la lumière en un laboratoire contrôlable pour l’étude de la matière quantique, conclut le professeur Karimi. Il est désormais possible de concevoir, d’observer et de comprendre des dynamiques complexes avec une clarté sans précédent. »
Les conclusions ont été publiées en 2026 dans l’article « Compact and programmable large-scale optical processor in free space », dans la revue Light: Science & Applications de Nature. Autrices et auteurs : Maria Gorizia Ammendola, Nazanin Dehghan, Lukas Scarfe, Alessio D’Errico, Francesco Di Colandrea, Ebrahim Karimi et Filippo Cardano.
Elles sont aussi parues dans l’article « Programmable photonic quantum walks on lattices with cyclic, toroidal, and cylindrical topology », dans la revue Advanced Photonics. Autrices et auteurs : Alessio D'Errico, Nazanin Dehghan, Maria Gorizia Ammendola, Lukas Scarfe, Roohollah Ghobadi, Francesco Di Colandrea, Filippo Cardano et Ebrahim Karimi.
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