Le Soleil peut-il remplacer les lasers en optique quantique ?

La qualité de l’état obtenu est particulièrement élevée pour une démonstration de principe : sa fidélité par rapport à un état de Bell idéal atteint 0,939 ± 0,027, soit près de 94 %, tandis que la concurrence — une mesure de l’intrication — s’élève à 0,905 ± 0,053 . Les corrélations observées dépassent également la limite classique de l’inégalité de Bell, avec une valeur mesurée de S = 2,5408 ± 0,2171 .

Pourquoi la lumière solaire semblait incompatible avec l’expérience

La lumière laser est dite cohérente : ses photons présentent des propriétés très ordonnées, notamment en matière de phase, de direction et de longueur d’onde. La lumière solaire est à l’opposé. Elle rassemble des photons qui arrivent avec des phases aléatoires, selon des directions multiples et sur une large gamme de couleurs.

En optique quantique, on supposait donc que ce désordre brouillerait les corrélations nécessaires à l’intrication. L’expérience montre que cette conclusion était trop générale.

Le déclic théorique : miser sur la polarisation

L’équipe a établi que l’intrication de polarisation ne nécessite pas que la source soit cohérente dans ses dimensions spatiale et spectrale. La polarisation correspond à l’orientation dans laquelle le champ électrique de la lumière oscille.

Lorsque l’information quantique est encodée dans cette propriété, les variations de direction et de longueur d’onde de la lumière solaire ne suffisent pas à détruire l’intrication. Le facteur déterminant est la cohérence de l’orientation de l’oscillation lumineuse .

Cette idée a permis d’envisager la lumière solaire comme une source de pompage pour la SPDC, malgré son spectre large et son faible degré de cohérence.

Comment concentrer une lumière aussi diffuse ?

La théorie ne suffisait pas : à son intensité naturelle, la lumière du Soleil est trop dispersée pour provoquer efficacement la SPDC dans un minuscule cristal. Il fallait concentrer une grande quantité de lumière sur une zone de l’ordre du millimètre.

L’équipe du MPL a conçu un système en deux étapes, dirigé par Hamed Fattahi :

• une lentille de Fresnel d’environ 1,4 m², comparable à une grande fenêtre, collecte la lumière solaire ;
• un concentrateur conique entièrement en verre comprime davantage le faisceau et le couple à une fibre optique multimode ;
• la fibre achemine ensuite cette lumière concentrée jusqu’au cristal non linéaire .

Cette architecture augmente l’éclairement de plusieurs ordres de grandeur et rend possible la conversion paramétrique spontanée alimentée par le Soleil.

Une piste pour les satellites quantiques

L’intérêt de cette approche ne tient pas seulement au remplacement symbolique d’un laser par la lumière solaire. Les lasers employés dans les expériences quantiques peuvent être énergivores et nécessiter une électronique de contrôle relativement complexe. Une source alimentée par le Soleil pourrait réduire l’empreinte énergétique de certains dispositifs, notamment dans des environnements isolés ou éloignés des réseaux électriques .

L’espace constitue une application potentielle. En orbite, la lumière solaire est disponible sans les interruptions liées aux nuages ou à la météo terrestre. À terme, une source d’intrication solaire pourrait contribuer à alléger des systèmes embarqués destinés à la distribution quantique de clés — la QKD, pour quantum key distribution — et limiter le recours à des lasers de forte puissance .

Il s’agit toutefois d’une possibilité à long terme, et non d’un équipement spatial prêt à être lancé.

Les obstacles restent considérables

• Un rendement très faible. Le dispositif a produit environ 1,5 paire de photons par seconde, très loin des millions de paires par seconde souvent obtenues avec des systèmes laser .
• Une forte dépendance aux conditions extérieures. L’expérience a été réalisée par temps clair, autour de midi. Les nuages, la diffusion atmosphérique et la position du Soleil modifient directement les performances .
• Un dispositif encombrant. Une lentille de 1,4 m² et un concentrateur conique sont difficiles à intégrer dans un système compact, mobile ou spatial.
• Une grande partie du spectre inutilisée. Le cristal n’est adapté qu’à une portion limitée du spectre solaire, ce qui signifie que la majorité de l’énergie collectée ne contribue pas à la génération des photons utiles .
• Une démonstration de principe. Il faudra encore améliorer l’efficacité, la stabilité et la miniaturisation avant d’envisager une utilisation pratique hors du laboratoire .

L’expérience ne signifie donc pas que la lumière solaire ordinaire devient spontanément un faisceau de photons intriqués. Elle montre plutôt qu’après collecte, filtrage et concentration, une source naturelle réputée trop désordonnée peut alimenter un mécanisme d’optique quantique jusque-là associé aux lasers.