Sur la piste des photons fugaces : les défis et triomphes de la détection des micro-ondes

Imaginez si un seul mot pouvait raconter une histoire entière. C’est le défi que des scientifiques de l’institut quantique ont relevé — non pas à une échelle verbale, mais quantique : celle des photons, les particules élémentaires de lumière. Grâce à un processus ingénieux impliquant des circuits supraconducteurs, l’équipe du professeur Max Hofheinz a réussi à amplifier un signal fugace : celui des photons micro-ondes. Le groupe de chercheurs est parvenu à tripler le nombre de photons avec une efficacité remarquable. Cette prouesse technique, publiée dans Physical Review X ouvre la voie à la création d’un compteur de photons micro-ondes, un outil précieux pour des domaines aussi variés que la quête de la matière noire, l’informatique quantique ou l’astrophysique.

 

Dans la recherche sur le traitement de l’information quantique, la capacité à transmettre, manipuler et détecter les photons est fondamentale. Ces technologies nécessitent la détection de photons sur un large spectre, allant de l’infrarouge et de la lumière visible, utilisés dans les systèmes de communication optique, jusqu’aux photons micro-ondes, décelables par les appareils quantiques supraconducteurs. Si nous disposons d’une diversité de détecteurs efficaces pour les photons dans le spectre optique, le défi est plus grand pour les photons micro-ondes. Leur détection est complexifiée par leur faible niveau d’énergie.

Un porte-voix pour les particules de lumière

L’équipe du Pr Hofheinz a élaboré ce qui s’apparente à un mégaphone pour ces particules de lumière. Les appareils traditionnels pour « entendre » les photons sont souvent parasités par un bruit de fond, tel un crépitement qui brouille une conversation téléphonique. Certains dispositifs existants peuvent éviter ce bruit, mais ils peinent à quantifier de grands nombres de photons. En revanche, la méthode mise au point par le groupe permet de détecter un grand nombre de particules rapidement et sans être submergée par le bruit ambiant. Cependant, à cause de l’énergie très faible des photons en question, l’amplificateur doit opérer à des températures extrêmement basses. À ces températures cryogéniques frôlant le zéro absolu, les vibrations atomiques ralentissent, ce qui facilite la détection. Tenter de les capter à température ambiante serait comme « essayer de détecter des photons individuels à la surface du soleil », illustre le Pr Hofheinz.

Au cœur du dispositif : les jonctions Josephson en action

Les jonctions Josephson, ces dispositifs quantiques reliant deux supraconducteurs séparés par une très fine barrière à travers laquelle des paires d’électrons peuvent passer par effet tunnel, sont centrales dans ce processus. Le photon entrant et la tension de la jonction Josephson permettent de fournir l’énergie pour générer trois photons sortants. L’équipe a déjà décrit théoriquement ce processus et vient d’en démontrer la validité grâce à des mesures délicates et des étapes de calibrations très précises, s’assurant que l’amplification observée résulte bien de l’interaction photonique et non d’autres sources d’erreur.

Les promesses de l’amplification : perspectives

Cette capacité à amplifier les signaux des photons ne se réduit pas à un exploit de laboratoire ; elle a des échos profonds dans le vaste concert de la recherche scientifique. Nicolas Bourlet, postdoctorant au sein du groupe de recherche et co-auteur de l’étude, souligne le potentiel de cette technologie. Bien que l’informatique quantique soit le domaine d’application principal visé, « on envisage également des applications dans d’autres sphères de la physique : cosmologie, recherche de particules, astrophysique. À ce jour, il n’existe pas de détecteur vraiment efficace pour ces utilisations et dans cette gamme de fréquence. » En posant une brique fondamentale vers un nouveau type de compteur de photons micro-ondes, l’équipe Hofheinz ne se contente pas de repousser les limites de la détection quantique. Elle nous invite à entrevoir un avenir où les phénomènes les plus insaisissables de l’espace pourraient être révélés, catalysant de nouvelles révolutions dans la compréhension de notre univers.