Le premier circuit intégré photonique au monde pour la manipulation d'atomes

Les circuits intégrés électroniques sont sans doute la technologie la plus importante du 20e siècle. En permettant, entre autres, l'industrie informatique, ils ont changé notre façon de travailler et de jouer dans une mesure sans précédent.

Les équivalents photoniques de ces dispositifs ont été tout aussi difficiles à développer et sont largement utilisés pour manipuler et contrôler les signaux dans les fibres optiques. Mais il est juste de dire qu'ils n'ont pas encore atteint leur plein potentiel.

Une possibilité pleine de potentiel est la capacité de la lumière à manipuler et à influencer des atomes individuels. Les physiciens utilisent régulièrement la lumière pour piéger les atomes et les ions au nom de la science. Cela a toutes sortes d'applications importantes, de la communication quantique à la lecture de l'heure.

Mais les appareils qui font tout cela sont bien hors de portée de quiconque a la malchance de ne pas posséder un laboratoire d'optique bien équipé.

Les circuits intégrés photoniques pourraient changer cela. Ils offrent la possibilité d'utiliser la lumière pour manipuler des atomes individuels dans de petites unités autonomes relativement peu coûteuses à fabriquer et faciles à utiliser.

Aujourd'hui, Jeff Kimble du California Institute of Technology de Pasadena et quelques amis disent avoir construit le premier exemple d'un tel appareil. Nous rapportons le développement du premier circuit optique intégré avec un cristal photonique capable à la fois de localiser et d'interfacer des atomes avec des photons guidés dans le dispositif, disent-ils.

Les cristaux photoniques sont utiles car leurs propriétés optiques sont déterminées par la géométrie physique, la taille du guide d'ondes, etc. Cela leur permet d'être réglés avec précision pour ne transporter que certaines longueurs d'onde de lumière.

Le nouvel appareil est un cristal photonique composé de nitrure de silicium qui agit comme un guide d'ondes pour la lumière laser. L'astuce que Kimble et ses collaborateurs ont perfectionnée est de le construire pour transporter la lumière adaptée à certaines transitions atomiques dans le césium. Lorsqu'un atome de césium absorbe et diffuse ces longueurs d'onde, le processus génère des forces qui peuvent être utilisées pour piéger et manipuler l'atome.

Le cristal photonique est intégré dans un système qui fournit un approvisionnement immédiat en atomes de césium et le résultat est un circuit intégré capable de manipuler des atomes de césium individuels.

Kimble and co l'ont mis à l'épreuve et disent qu'il fonctionne bien et offre un potentiel énorme. L'intégration de la nanophotonique et de la physique atomique est un objectif recherché depuis longtemps qui ouvrirait de nouvelles frontières pour la physique optique, disent-ils.

Les applications sont nombreuses. Ce type d'appareil sera un élément important et de haute qualité pour le calcul et la communication quantiques, car les atomes peuvent stocker et manipuler les informations transportées par les photons.

Mais les atomes peuvent également agir comme d'autres types de composants optiques, émettant de la lumière avec une efficacité presque parfaite ou la réfléchissant comme un miroir. Et le fait que de nombreux atomes interagissent entre eux et avec des photons devrait offrir des opportunités expérimentales intéressantes aux physiciens. La forte interaction entre la réponse optique et les grandes forces optiques de nombreux miroirs atomiques peut donner lieu à un comportement opto-mécanique intéressant, tel que l'auto-organisation, selon Kimble and co.

C'est donc un dispositif de preuve de principe intéressant qui pourrait rendre possible une nouvelle génération d'expériences nanophotoniques. Il est difficile d'affirmer à ce stade que ces types de circuits photoniques intégrés formeront les entrailles des dispositifs produits en série, comme l'ont fait les circuits électroniques intégrés. Mais il est tout aussi difficile d'affirmer qu'ils ne le feront jamais. Seul le temps nous le dira !

Réf : arxiv.org/abs/131.3446 : Interactions atome-lumière dans les cristaux photoniques

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