Un seul photon transporte 10 bits d'information

Les photons uniques sont parfaitement adaptés pour envoyer des informations sous forme numérique afin que chaque photon encode un 0 ou un 1. Dans ce cas, il est facile d'imaginer que ce sont toutes les données qu'un seul photon peut contenir. Pas si! En théorie, il n'y a pas de limite à la quantité d'informations qu'un seul photon peut coder.

Et cela soulève une question intéressante. Quelle quantité d'informations les physiciens peuvent-ils regrouper dans un seul photon en pratique ? Que permet la technologie actuelle ?

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse grâce au travail de Tristan Tentrup et de ses amis de l'Université de Twente aux Pays-Bas. Ils ont emballé plus de 10 bits dans un seul photon pour la première fois.

Leur méthode est simple, en théorie. L'approche consiste à associer un photon unique à un membre unique d'un alphabet. Lorsque l'alphabet contient beaucoup de membres, le photon transporte beaucoup d'informations.

Il n'est pas difficile de comprendre pourquoi. Lorsqu'un alphabet ne contient que deux membres, comme un code binaire, chaque membre encode un bit d'information. Il s'agit de la quantité d'informations nécessaires pour décrire chaque symbole de l'alphabet.

Mais lorsque l'alphabet est plus grand, il faut plus d'informations pour décrire de manière unique chaque membre. Ainsi, chaque membre peut encoder cette quantité de données.

La quantité réelle d'informations est donnée par le log à base 2 du nombre de membres. Par exemple, dans un alphabet de 10 symboles, tel que chaque nombre décimal, chaque symbole code environ 3,3 bits. Dans un alphabet de 26 symboles, tel que l'alphabet anglais, chaque symbole code 4,7 bits. Etc.

Tentrup and co atteint son objectif en créant un alphabet avec 9 072 symboles. Dans ce cas, chaque symbole code plus de 13 bits d'information.

Créer cet alphabet est simple. Tentrup et co le font en définissant une grille de pixels de 112 x 81, soit 9 072 d'entre eux. Chaque pixel représente un symbole différent de l'alphabet. Pour coder un photon avec l'un de ces symboles, il leur suffit de pointer le photon vers cette partie de la grille. Ainsi, lorsqu'un pixel spécifique enregistre l'arrivée d'un photon, il enregistre ce symbole.

La partie délicate consiste à le faire avec précision avec des photons uniques. Une façon de diriger les photons consiste à utiliser un miroir inclinable qui les reflète simplement dans une direction spécifique et contrôlable. Mais Tentrup et co utilisent un dispositif plus flexible appelé modulateur spatial de lumière qui modifie le front d'onde d'un photon lorsqu'il le reflète. Celui-ci utilise des effets de diffraction pour orienter le photon vers sa cible.

La détection de photons uniques est également une peau de banane potentielle, car toute lumière parasite peut submerger le signal. Tentrup et co ont une astuce pratique pour éviter cela. Au lieu de créer des photons uniques, ils les créent par paires et n'en codent qu'un seul avec des informations à l'aide de ce mécanisme de pilotage. Ils guettent l'autre comme un avertissement que le premier est sur le point d'arriver au pixel.

Cela leur permet d'allumer le pixel à l'instant même où le premier photon arrive. Et cela réduit considérablement les risques qu'un photon parasite submerge le signal. Néanmoins, le bruit a toujours un impact et les photons finissent par transporter un peu moins d'information que le maximum théorique.

Les résultats sont néanmoins impressionnants. Nous démontrons un codage de haute dimension de photons uniques atteignant 10,5 bits par photon, disent Tentrup et co. Cela améliore considérablement le record précédent de seulement sept bits par photon et suggère immédiatement des moyens d'encoder encore plus en augmentant la taille de la grille.

L'ouvrage a des applications immédiates. Les physiciens utilisent déjà des informations codées en photons uniques pour des applications telles que la distribution de clés en cryptographie quantique.

Cette information est actuellement codée en photons uniques en utilisant le code binaire des 0 et des 1. Mais la nouvelle technique permet immédiatement à chaque photon de porter un ordre de grandeur de plus. Une direction très prometteuse pour ce travail serait alors la mise en œuvre d'un codage à grand alphabet spatial pour la distribution quantique des clés, explique Tentrup and co.

Nous n'aurons donc peut-être pas à attendre longtemps pour voir cette technologie record en action.

Réf : http://arxiv.org/abs/1609.04200 : Transmission de plus de 10 bits avec un seul photon

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