L’étude des photons dans l’informatique quantique révèle que lorsque les photons entrent en collision, ils créent des tourbillons

Les tourbillons sont un phénomène physique courant. Vous les trouvez dans la structure des galaxies, des tornades et des ouragans, ainsi que dans une tasse de thé ou dans l’eau qui s’écoule de la baignoire.

En règle générale, les tourbillons se forment lorsque de l’air, de l’eau ou une autre substance à écoulement très rapide rencontre une zone à écoulement plus lent. Ils sont caractérisés par un écoulement circulaire autour d’un axe stationnaire. Le rôle des tourbillons est donc de combler la tension entre des zones adjacentes à écoulement à différentes vitesses.

Un type de vortex jusqu’alors inconnu a été découvert dans une étude publiée dans Sciencemenée par le Dr Lee Drori, le Dr Bankim Chandra Das, Tomer Danino Zohar et le Dr Gal Winer du laboratoire du professeur Ofer Firstenberg au département de physique des systèmes complexes de l’Institut Weizmann des sciences.

Les chercheurs ont cherché un moyen efficace d’utiliser les photons pour traiter les données dans les ordinateurs quantiques et ont découvert quelque chose d’inattendu : ils ont réalisé que dans les rares cas où deux photons interagissent, ils créent des vortex. Non seulement cette découverte contribue à la compréhension fondamentale des vortex, mais elle pourrait à terme contribuer à l’objectif initial de l’étude, à savoir améliorer le traitement des données en informatique quantique.

L’interaction entre les photons et les particules lumineuses, qui se comportent également comme des ondes, n’est possible qu’en présence de matière qui sert d’intermédiaire. Dans leur expérience, les chercheurs ont forcé les photons à interagir en créant un environnement unique : une cellule de verre de 10 centimètres entièrement vide, à l’exception des atomes de rubidium qui étaient si serrés au centre du récipient qu’ils formaient un petit nuage de gaz dense d’environ 1 millimètre de long.

Les chercheurs ont émis de plus en plus de photons à travers ce nuage, ont examiné leur état après leur passage et ont regardé s’ils s’étaient influencés mutuellement d’une manière ou d’une autre.

« Lorsque les photons traversent le nuage de gaz dense, ils envoient un certain nombre d’atomes dans des états électroniquement excités appelés états de Rydberg », explique Firstenberg. « Dans ces états, l’un des électrons de l’atome commence à se déplacer sur une orbite 1 000 fois plus large que le diamètre d’un atome non excité. Cet électron crée un champ électrique qui influence un grand nombre d’atomes adjacents, les transformant en une sorte de champ électrique. d’une « boule de verre » imaginaire.

L’image d’une boule de verre reflète le fait que le deuxième photon présent dans la zone ne peut pas ignorer l’environnement créé par le premier photon et, en réponse, il modifie sa vitesse comme s’il avait traversé du verre.

Ainsi, lorsque deux photons passent relativement près l’un de l’autre, ils se déplacent à une vitesse différente de celle qu’ils auraient eue s’ils avaient voyagé chacun seul. Et lorsque la vitesse du photon change, la position des pics et des creux de l’onde qu’il transporte change également.

Dans le cas optimal d’utilisation des photons en informatique quantique, les positions des pics et des creux s’inversent complètement les unes par rapport aux autres, en raison de l’influence que les photons ont les uns sur les autres, phénomène connu sous le nom de déphasage de 180 degrés.

La direction prise par la recherche était aussi unique et extraordinaire que les trajectoires des photons dans le nuage de gaz. L’étude, à laquelle participaient également le Dr Eilon Poem et le Dr Alexander Poddubny, a débuté il y a huit ans et a vu deux générations de doctorants passer par le laboratoire de Firstenberg.

Au fil du temps, les scientifiques de Weizmann ont réussi à créer un nuage de gaz dense, ultra-froid, rempli d’atomes. Ils ont ainsi obtenu quelque chose d’inédit : des photons qui ont subi un déphasage de 180 degrés, et parfois plus.

Lorsque le nuage de gaz était le plus dense et que les photons étaient proches les uns des autres, ils exerçaient le plus haut niveau d’influence mutuelle. Mais lorsque les photons s’éloignaient les uns des autres ou que la densité atomique autour d’eux diminuait, le déphasage s’affaiblissait et disparaissait.

L’hypothèse dominante était que cet affaiblissement serait un processus graduel, mais les chercheurs ont été surpris : une paire de vortex se développait lorsque deux photons étaient éloignés d’une certaine distance. Dans chacun de ces vortex, les photons ont effectué un déphasage de 360 ​​degrés et, en leur centre, il n’y avait presque aucun photon, tout comme dans le centre sombre que nous connaissons dans d’autres vortex.

Pour comprendre les tourbillons de photons, pensez à ce qui se passe lorsque vous faites glisser une plaque verticale dans l’eau. Le mouvement rapide de l’eau poussée par la plaque rencontre le mouvement plus lent qui l’entoure. Cela crée deux tourbillons qui, vus d’en haut, semblent se déplacer ensemble le long de la surface de l’eau, mais en fait, ils font partie d’une configuration tridimensionnelle appelée anneau de vortex. La partie immergée de la plaque crée un demi-anneau, qui relie les deux tourbillons visibles à la surface, les forçant à se déplacer ensemble.

Les anneaux de fumée sont un autre exemple courant d’anneaux tourbillonnaires. Dans les dernières étapes de l’étude, les chercheurs ont observé ce phénomène en introduisant un troisième photon, ce qui a ajouté une dimension supplémentaire aux résultats. Les scientifiques ont découvert que les deux tourbillons observés lors de la mesure de deux photons font partie d’un anneau tourbillonnaire tridimensionnel généré par l’influence mutuelle des trois photons. Ces résultats démontrent à quel point les tourbillons nouvellement découverts sont similaires à ceux connus dans d’autres environnements.

Les vortex ont peut-être volé la vedette dans cette étude, mais les chercheurs continuent de travailler vers leur objectif de traitement des données quantiques. La prochaine étape de l’étude consistera à tirer les photons les uns sur les autres et à mesurer le déphasage de chaque photon séparément.

En fonction de l’intensité des déphasages, les photons pourraient être utilisés comme qubits, les unités d’information de base en informatique quantique. Contrairement aux unités de mémoire d’ordinateur classiques, qui peuvent être égales à 0 ou à 1, les bits quantiques peuvent représenter simultanément une plage de valeurs comprise entre 0 et 1.