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Génération de triplets de photons : un nouvel état de la lumière

Nous avons réalisé la première génération de triplets de photons par le biais d’une interaction optique non linéaire du troisième ordre dans un cristal de KTiOPO4 [1]. Lors de ce processus gouverné par la susceptibilité électrique de troisième ordre χ(3), 3 photons fortement corrélés d’énergies hω1, hω2 et hω3 sont créés à partir de la scission d’un photon d’énergie hω0 , comme le montre la figure 1.

Fig. 1 : diagramme photonique correspondant à la génération de triplets de photons.

Ces triplets constituent un état Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) de la lumière, qui présente des corrélations quantiques différentes de celles des photons jumeaux, avec une fonction de Wigner fortement non gaussienne présentant des « négativités », comme l’illustre la figure 2 [2]. Outre son intérêt intrinsèque pour l’aspect fondamental, la manipulation de ce nouvel état de la lumière serait également un réel atout dans divers domaines du traitement de l’information quantique, comme par exemple la possibilité d’utiliser l’intrication quantique à 3 particules pour la cryptographie. Le processus spontané de génération de triplets de photon étant d’une efficacité beaucoup trop faible pour pouvoir être observé, il a été nécessaire de le stimuler. Nous avons utilisé un schéma de stimulation à deux photons de pulsations ω2 et ω3. La scission stimulée du photon pompe à ω0 conduit ainsi à un état mixte contenant non seulement des triplets ω1, ω2, ω3 mais également des photons d’injection à ω2 et ω3. Nous avons utilisé des faisceaux lasers de longueur d’ondes λ0 = 532 nm, λ23 = 1665 nm en polarisations orthogonales, de durées d’impulsion voisines de 20 pico-seconde avec une fréquence de répétition de 5 hertz. Une énergie maximale de 4,5 μJ par impulsion à λ1 = 1474 nm a été obtenue, ce qui correspond à 3,34 × 1013 photons par impulsion.

Fig. 2 : exemple de fonction de Wigner d’un triplet de photons avec pulsations et états de polarisation identiques.
Cela signifie que 3,34 × 1013 triplets de photons ω1, ω2, ω3 ont été créés, la génération à ω1, étant symptomatique de la génération des triplets. Par contre, les photons à ω2 et ω3 des triplets sont mélangés avec les photons de stimulation : 4,19 × 1014 à ω2 et 4,9 × 1014 à ω3. Le nombre de photons pompes à ω0 est de 2,0 × 1015 photons par impulsion. Ces résultats expérimentaux constituent une avancée significative vers de nouvelles expériences d’optique quantique sur les états GHZ à 3 photons. Les expériences de mesure des corrélations quantiques sont en cours. Parallèlement à ces travaux, nous avons identifié TiO2 comme particulièrement intéressant pour la génération de triplets de photons, avec une non-linéarité du troisième ordre 7,5 fois supérieure à celle de KTP, et des propriétés d’accord de phase adaptées comme le montre la figure 3 [3].
Fig. 3 : courbes d’accord de phase de génération de triplets de photons dand le Ti<sub style=2 rutile.' />
Les indices o et e sont relatifs aux polarisations ordinaires et extraordinaires respectivement. Les lignes en pointillés correspondent aux situations pour lesquels 2 longueurs d’onde sont égales. Le point d’intersection D correspond à λ1e2e3o. Chaque ligne en très plein est relative à des directions d’accord de phase d’égal angle θ.
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