La technologie quantique a longtemps supposé que l’intrication, la connexion entre particules qui sous-tend l’informatique quantique et la communication sécurisée, exigeait un laser. Les lasers sont cohérents : leurs ondes avancent en phase, en une seule couleur, et cette régularité a semblé nécessaire pour amener les cristaux non linéaires à diviser des photons en paires intriquées. Une équipe de l’Université d’Ottawa et de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière vient de briser cette hypothèse de la manière la plus directe qui soit, en pointant un concentrateur solaire vers le ciel et en utilisant la simple lumière du soleil pour générer des photons intriqués en extérieur.
L’expérience, publiée dans Optica, couronne un argument défendu pendant une décennie au sein du groupe de Robert Boyd, selon lequel la cohérence n’est pas réellement la condition requise. L’intrication peut résider dans une seule propriété de la lumière, la polarisation, même lorsque la lumière est totalement désordonnée dans d’autres propriétés, comme la couleur et la direction. L’équipe l’a d’abord démontré avec des LED, qui sont incohérentes mais produisent des photons intriqués en polarisation. La lumière du soleil constituait le test le plus difficile : elle se propage dans toutes les directions et contient un arc-en-ciel de couleurs, et certains des chercheurs les plus éminents du domaine doutaient qu’un seul photon, sans parler de photons intriqués, puisse émerger d’un processus non linéaire alimenté par la lumière du soleil.
Le montage est un exercice de concentration du chaos. Une lentille de Fresnel de la taille approximative d’une fenêtre domestique recueille la lumière solaire directe ; un concentrateur de verre en forme de cône, construit par l’équipe de Hanieh Fattahi à l’Institut Max Planck, achemine la lumière dans une fibre optique d’environ la largeur d’un cheveu humain. La lumière solaire concentrée, encore très incohérente dans l’espace et dans le temps, est polarisée puis dirigée vers un cristal de titanyl phosphate de potassium à polarisation périodique, où la conversion paramétrique spontanée descendante (SPDC) divise les photons de pompe individuels en paires de photons intriqués en polarisation.
Les résultats franchissent la barre de la véritable intrication quantique. La tomographie d’état quantique a reconstruit l’état à deux photons avec une concurrence de 0,905 plus ou moins 0,053, sur une échelle où 1 correspond à l’intrication maximale, et une fidélité de 0,939 à l’état de Bell idéal. Le paramètre de Bell CHSH mesuré, 2,54, dépasse la limite classique de 2 d’environ deux écarts types et demi, excluant toute explication par des variables cachées locales. Le taux de génération de paires, normalisé à la puissance de pompe, est comparable à celui des sources pompées par laser.
La portée de ce résultat est à la fois pratique et conceptuelle. Les lasers consomment des watts d’électricité pour délivrer des milliwatts de puissance optique, et l’infrastructure cryogénique et sous vide des systèmes quantiques ajoute des coûts énergétiques supplémentaires ; le secteur des technologies de l’information et de la communication représente déjà quelques pour cent des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Une source pompée par la lumière du soleil est la première source de photons intriqués qui fonctionne sans apport d’énergie électrique, hormis le contrôle de la température du cristal. Les chercheurs évoquent les satellites, baignés dans une lumière solaire non filtrée et qui transportent actuellement des lasers pour la distribution quantique de clés ; une source alimentée par l’énergie solaire pourrait se passer d’une grande partie du matériel annexe. Le même raisonnement s’applique à la mise à l’échelle de l’informatique quantique sans alourdir le fardeau énergétique.
Le point conceptuel est plus subtil et sans doute plus important. L’expérience démontre que la cohérence d’une source lumineuse dans un degré de liberté ne limite pas l’intrication réalisable dans un autre. L’équipe a conçu le montage de sorte que les différences de couleur et de direction de propagation n’affectent pas la polarisation des photons, et la théorie prédisait que si l’intrication réside uniquement dans la polarisation, c’est la régularité de la pompe dans sa direction d’oscillation qui importe, et non sa direction ou sa couleur. L’expérience confirme cette prédiction avec la lumière naturelle.
Les réserves sont honnêtes. L’expérience s’est déroulée en extérieur, si bien que la météo et l’heure de la journée ont affecté la puissance couplée ; l’équipe a mesuré une variation diurne de la puissance de pompe, et les 100 à 200 nanowatts délivrés au cristal dans la bande passante pertinente ne représentent qu’une petite fraction de ce qu’un laser fournit. Les taux de paires détectées sont modestes, environ 1 600 paires par seconde par milliwatt de pompe, et l’efficacité d’utilisation de la lumière solaire est limitée par l’étroite bande passante d’accord de phase du cristal. Un travail d’ingénierie sera nécessaire pour rendre la source plus brillante, élargir l’accord de phase et transformer une preuve de principe en un dispositif déployable.
La comparaison avec les sources pompées par laser mérite des nuances. Normalisé à la bande passante spectrale de la pompe, le taux de génération de paires alimenté par la lumière du soleil est comparable à celui de la SPDC à base de laser ; la différence tient au fait qu’un laser concentre sa puissance dans une raie étroite, tandis que la lumière du soleil répartit son énergie sur un large spectre, si bien que le taux absolu de paires de photons issu de la lumière du soleil est bien plus faible. L’exploit de l’équipe n’est pas que la lumière du soleil surpasse un laser, mais qu’elle fonctionne tout simplement, et que la qualité de l’intrication, la propriété qui compte pour l’information quantique, est au même niveau. Pour les applications où l’énergie est abondante et gratuite, comme dans l’espace, ce compromis devient attrayant : les panneaux solaires d’un satellite existent déjà, et un concentrateur associé à un cristal pourrait remplacer un laser et son électronique de soutien.
Ce résultat s’inscrit aussi dans une trajectoire historique. Le même groupe a passé des années à soutenir, contre le scepticisme du domaine, que la lumière incohérente pouvait produire de l’intrication, d’abord en théorie, puis avec des LED, et maintenant avec la lumière du soleil. Chaque étape a déplacé la démonstration du laboratoire vers le monde, et le montage en extérieur, avec sa lentille de Fresnel et son système de suivi solaire, constitue un type d’expérience quantique réellement différent : une expérience qui dépend de la météo. Le résultat clarifie également la relation fondamentale entre cohérence et intrication, en montrant que les deux sont découplées à travers les degrés de liberté, d’une manière que la théorie antérieure n’avait pas pleinement appréciée.
La démonstration clôt néanmoins un chapitre de l’optique quantique que la plupart des chercheurs considéraient comme clos avant même qu’il ne s’ouvre. Le scepticisme auquel l’équipe a fait face, des figures éminentes doutant de la simple détection de photons issus de la conversion descendante alimentée par la lumière du soleil, confère au résultat un relief particulier : la physique de l’intrication n’exige pas l’équipement le plus coûteux du laboratoire. Elle peut fonctionner à la lumière du jour.
Traduit par Lydie
Sources: Li, C., Brar, J., Küblböck, M., Upham, J., Fattahi, H. & Boyd, R.W. Generating quantum entanglement from sunlight. Optica 13, 1508 (2026). DOI: 10.1364/OPTICA.601797. Preprint: arXiv:2602.15655.