Détecter un unique photon, porteur d’information quantique

La détection de photons uniques est un élément clé dans le développement des technologies quantiques, où le signal résultant d'un calcul quantique peut se limiter à l'émission d'un seul photon. Mais au sein des circuits quantiques supraconducteurs à très basse température, ce sont des photons micro-onde, d'énergie cent mille fois plus faible, qui interviennent dans les processus. Avec les chercheurs de l'IRAMIS, une collaboration de chercheurs de laboratoires franciliens a développé une nouvelle méthode de mesure qui présente un rapport signal sur bruit inégalé.

Dans les dispositifs quantiques l'information est portée par un qubit, simple système de spin à 2 niveaux d'énergie; un état fondamental |0> et un état excité |1>, et dont l'écart en énergie est dans le domaine des hyperfréquences (micro-onde). Dans le montage réalisé, un tel qubit est couplé à un résonateur micro-ondes dont la dissipation d'un excès d'énergie passe nécessairement et de façon irréversible par le qubit couplé. Ainsi le qubit est porté dans son état excité “si et seulement si” un photon atteint le résonateur durant le temps d'une impulsion microonde de mesure appliquée au qubit. L'état excité étant de longue durée de vie, on dispose du temps nécessaire pour mesurer son état quantique au moyen d'une impulsion micro-ondes contenant quelques centaines de photons et des techniques d'amplification disponibles.

Sur ce principe de dissipation fortement corrélée, il a été ainsi possible de concevoir un détecteur de photon microonde unique, présentant une grande efficacité et permettant de détecter la relaxation d’un spin unique produisant l'émission d’un seul photon. Une autre caractéristique importante est que les phénomènes de décohérence dominants ne déclenchent pas d'évènement de détection parasite, ce qui garantit un très bas bruit d’obscurité, inférieur d'un ordre de grandeur par rapport aux meilleures expériences.

Chaine de dissipation et mesure de l'énergie reçue sous forme d'un photon unique.

Le montage expérimental réalisé montre que ce système est aussi performant que les compteurs de photons à micro-ondes les plus récents, avec un taux d'obscurité bien supérieur. Cette nouvelle méthode ouvre le développement d'une nouvelle classe de détecteurs à faible bruit de photons hyperfréquences, ces détecteurs de photon unique étant aussi recherchés pour leurs applications dans la détection des axions, particule hypothétique pouvant constituer la matière noire, la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique ou l'imagerie quantique.

Référence :

Irreversible qubit-photon coupling for the detection of itinerant microwave photons
R. Lescanne, S. Deléglise, E. Albertinale, U. Réglade, T. Capelle, E. Ivanov, T. Jacqmin, Z. Leghtas, and E. Flurin, Phys. Rev. X 10 (2020) 021038 .

Voir le fait marquant 2021 associé : “RPE : Détection de de la réponse de spins individuels avec un capteur de photon unique“.

“Detecting spins by their fluorescence with a microwave photon counter”
E. Albertinale, L. Balembois, E. Billaud, V. Ranjan, D. Flanigan, T. Schenkel, D. Estève, D. Vion, P. Bertet, E. Flurin, Nature 600 (2021) 434 – ArXiv 2102.01415.