Nanophotonique et Information Quantique

L'optique traditionnelle vit actuellement une révolution. Pour illustrer cette révolution, nous allons considérer quelques aspects de l'optique :

Les sources de lumière, L'introduction des lasers a révolutionné l'optique à partir des années 60. Toutefois, dans la grande majorité des cas, les longueurs d'onde d'émission dépendent de ce que la nature nous fournit. Aujourd'hui, on sait construire toute une variété de structures ( boîtes quantiques, lasers à cascade quantique, microcavités) qui peuvent émettre de la lumière de la couleur voulue.

La réalisation d'image : L'imagerie est l'application première de l'optique. L'imagerie visible a longtemps été limité à des objets de taille supérieure au micromètre. Depuis une dizaine d'années, des techniques ont permis d'aller au-delà de ce que l'on a longtemps cru être une barrière infranchissable. On sait aujourd'hui détecter le signal provenant de molécules uniques. On sait aussi distinguer ("résoudre") deux objets distincts s'ils sont séparés de plus de 2 centièmes de micromètre.

L'analyse optique : L'étude des spectres d'émission ou d'absorption ( qui sont de véritables empreintes) est une technique d'analyse qui s'applique de l'astrophysique à la biologie. On parvient aujourd'hui à faire l'analyse du spectre d'absorption d'un nanotube de carbone qui ne comporte que quelques centaines d'atomes. Il est aujourd'hui possible de détecter in vivo des marqueurs ayant une signature optique connue et suffisamment petits pour être greffés sur des molécules biologiques. Ceci permet de créer un outil extraordinaire qui permettra de comprendre enfin les mécanismes de nombreuses pathologies.

Le transport d'information : lorsque l'on utilise le web, la plupart des informations transite par des fibres optiques. L'optique traditionnelle ne sait pas manipuler des faisceaux de lumière plus petits que la longueur d'onde. On développe aujourd'hui des structures qui permettent de guider la lumière dans des volumes 10 à 100 fois plus petits. On sait faire des cristaux photoniques qui - par assemblage de matériaux transparents- permettent de réaliser des matériaux opaques et non-absorbants.

Le traitement de l'information : Les propriétés quantiques de la lumière n'ont pratiquement pas été exploitées pour des applications jusqu'ici. Or, les lois de la mécanique quantique permettent d'envisager des applications extraordinaires : il est d'ores et déjà possible de transporter de l'information sur des distances de plusieurs kilomètres à l'aide de photons jumeaux en garantissant l'inviolabilité de la transmission ( on parle de cryptographie quantique). Il est également possible d'envisager de réaliser des ordinateurs quantiques qui auraient la capacité d'effectuer certains types d'opérations avec une efficacité que l'on ne pourra jamais atteindre avec les technologies actuelles.

Ces quelques exemples montrent que la manipulation de la lumière à l'échelle du nanomètre ouvre un immense champ d'applications. Les physiciens du C'nano oeuvrent quotidiennement à l'avancement des connaissances qui les rendront possibles.