Une étude, dont les résultats intitulés «Demonstration of a Memory for Tightly Guided Light in an Optical Nanofiber» ont été publiés dans la revue Physical Review Letters et sont disponibles sur arxiv.org, a permis, pour la première fois, en plongeant une fibre optique dans un nuage d'atomes froids, de ralentir, arrêter, puis relancer un faisceau lumineux se propageant au cœur de la fibre.

Si «depuis plusieurs années, les physiciens parviennent à ralentir très fortement la lumière, et même à la stopper complètement pour enregistrer l’information qu’elle porte», la mise en œuvre de ces mémoires optiques, qui «reposent sur une interaction contrôlée entre un faisceau lumineux et des atomes», nécessite «des montages optiques complexes à base de miroirs, lentilles et autres éléments optiques qui se prêtent mal à des systèmes complexes de communication».

Ce n'est plus le cas avec le dispositif mis en œuvre dans l'étude ici présentée qui «constitue la première réalisation fibrée d'une mémoire optique». Comme la fibre optique est «un composant au cœur de nos réseaux de télécommunications», cette avancée sera «un nouvel ingrédient pour le développement d’un futur réseau de communication quantique dans lequel l’information pourra être transportée et synchronisée entre plusieurs nœuds distants».

Pour réaliser cette expérience, une fibre optique commerciale a tout d'abord été «chauffée et étirée sur quelques centimètres, jusqu’à obtenir une nanofibre avec un diamètre de 400 nanomètres, plus petit que la longueur d’onde de la lumière».

Ensuite, des atomes de césium ont été refroidis par laser et le nuage ainsi obtenu a été superposé avec cette zone étirée de sorte que, lorsque la lumière atteint cette région, une grande partie de l’énergie qui «circule autour de la fibre (on parle d’onde évanescente)» peut alors «interagir avec les atomes environnants».

Ainsi, grâce à «la technique dite de transparence induite électromagnétiquement qui permet de contrôler les propriétés du milieu atomique par un laser additionnel», la lumière a été drastiquement ralenti par un facteur 3000 puis arrêtée complètement. Si «cette méthode est connue en espace libre», c'est la première fois qu'elle est combinée avec une fibre optique.

Concrètement, «l'information portée par la lumière est transférée aux atomes sous la forme d’une excitation collective, une large superposition quantique» et «les quelques 2 000 atomes impliqués dans le processus peuvent ensuite émettre de nouveau la lumière après un temps de mémoire programmable pouvant atteindre cinq microsecondes» de sorte qu'alors la lumière reprend «son chemin et ressuscite ainsi l’information initiale» («sans cet arrêt imposé, la lumière aurait parcouru dans le même temps plus d’un kilomètre»).

En outre, l'étude a «également montré que des impulsions lumineuses contenant un seul photon pouvaient être stockées et relues avec un large rapport signal sur bruit, un ingrédient central pour l’utilisation de ce système comme mémoire quantique pour des réseaux à grande distance»: ainsi, «dans cette réalisation fibrée, 10% du signal est relu, une performance prometteuse déjà proche des valeurs obtenues en espace libre».