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Optique Quantique Paramétrique
L’équipe
Claude Fabre, Julien Laurat, Nicolas Treps
Giulia Ferrini
Alexandre Brieussel, Pu Jian, Renné Medeiros, Olivier Morin, Olivier Pinel, Roman Schmeissner, Cao Yin, Zhan Zheng
La génération de photons jumeaux à partir d’un faisceau de pompage par effet paramétrique dans un cristal non-linéaire est un des processus quantiques les plus importants en optique. Il est mis à profit dans un nombre impressionnant d’expériences d’optique quantique, aussi bien dans le régime de comptage de photons que dans celui des variables continues. Dans ce contexte, notre groupe s’intéresse plus particulièrement aux propriétés quantiques des Oscillateurs Paramétriques Optiques, ou OPOs, pour lesquels l’effet paramétrique se produit à l’intérieur d’une cavité optique résonnante pour les photons jumeaux. Un tel dispositif possède un seuil d’oscillation pour la puissance pompe, au delà duquel il se comporte en oscillateur, à la manière d’un laser, et émet deux faisceaux intenses.
Au dessous de ce seuil et si les photons jumeaux sont émis dans le même mode, l’OPO produit un état fortement comprimé, ou squeezé, c’est-à-dire dont les fluctuations quantiques de l’amplitude ou de la phase du champ électrique sont bien en dessous des fluctuations quantiques du vide.
Si les photons jumeaux sont émis dans deux modes différents, appelés signal et complémentaire, l’OPO produit un état intriqué, possédant de très fortes corrélations quantiques : il y a corrélation entre les amplitudes des champs signal et complémentaire, et anti-corrélation entre les phases de ces deux champs.
En utilisant des cavités optiques qui sont simultanément résonnantes sur un grand nombre de modes, on peut produire des effets quantiques multimodes, concernant aussi bien les modes spatiaux que temporels de la lumière.
En conditionnant les mesures de phase et d’amplitude sur la lumière produite à la détection d’un photon sur une sortie judicieuse du dispositif, on peut produire des états non-Gaussiens de la lumière, aux propriétés "encore plus quantiques" que celles des états comprimés ou intriqués.
Enfin, la réduction contrôlée des fluctuations quantiques de la lumière permet d’améliorer la sensibilité des mesures optiques, par exemple dans les mesures de déplacement spatial ou de retard temporel. Nous avons étudié le problème de la détermination de la limite quantique ultime de sensibilité de la mesure, et de la manière concrète d’atteindre cette limite. C’est le domaine de la Métrologie Quantique.
Twin photon generation from a pump beam by parametric down conversion in a nonlinear crystal is one of most important quantum effects in optics. It is utilized in an impressive number of quantum optics experiments, in the photon-counting regime as well as in the continuous variable regime. In this context, our group is mainly interested in the quantum properties of Optical Parametric Oscillators (OPOs) for which the parametric process takes place inside an optical cavity which is resonant for the twin photons. This device has an oscillation threshold for the pump power, beyond which it behaves as an oscillator, like a laser, and generates two bright beams of light.
Below the threshold, and provided the twin photons are emitted in the same mode, the OPO generates a highly squeezed state, for which the quantum fluctuations of the amplitude or of the phase of its electric field are well below the vacuum fluctuations.
If the twin photons are emitted in different modes, called signal and idler, the OPO generates an entangled state, having strong quantum correlations : we have correlation between the amplitudes of the signal and idler fields, and anti-correlation between the phases of these two fields.
If one uses optical cavities that are simultaneously resonant on a great number of modes, the OPO produces multimode quantum effects, concerning either spatial modes or temporal modes.
By conditioning the phase and amplitude measurements to the detection of a single photon at some output of the device, one can produce non-Gaussian states of light, having properties which are "even more quantum" than the squeezed or entangled states.
Finally, tailoring the quantum fluctuations of light allows us to improve the sensitivity of optical measurements, for example in the determination of very small spatial displacements or of temporal delays. We have addressed the question of the ultimate quantum limit of sensitivity in the measurement, and of the practical way to reach it. This the domain of Quantum Metrology.
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