Des chercheurs de l’Institut Weizmann réussissent à isoler des photons

Des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences ont réussi à ‘arracher’ un unique photon (une particule de lumière) à une impulsion de lumière. Les résultats de cette recherche, qui viennent d’être publiés dans la revue Nature Photonics, ont une importance à la fois théorique et pratique : en effet, la lumière est actuellement à la base des systèmes de communication, et les photons isolés seront probablement les piliers des systèmes de communication quantique de l’avenir. De plus, selon les chercheurs, les méthodes qu’ils ont mises au point encourageront de nouvelles recherches sur la nature corpusculaire de la lumière.

Le docteur Barak Dayan, qui dirige le groupe d’optique quantique de l’Institut Weizmann, explique : « Lorsque nous serons passés à la communication quantique, l’information devra être codée en photons. Chaque photon représentera un unique qubit, c’est-à-dire un bit quantique qui peut exister dans plus d’un état à la fois (par exemple une combinaison égale de 1 et 0). »

Le docteur Dayan et son groupe de recherche sous la direction du docteur Serge Rosenblum et d’Orel Bechler ont mis en place une méthode pour extraire d’un flux, sur demande, un unique photon de manière contrôlée. Le système repose sur un effet physique qu’ils appellent ‘interaction Raman de photon unique’, ou encore SPRINT, qui est basé sur un atome unique, ou sur un système imitant un atome. Selon le docteur Dayan, l’avantage de SPRINT est qu’il est complètement passif, il ne demande pas de champ de contrôle, mais seulement une interaction entre l’atome et une impulsion optique. Dans une recherche antérieure, lui-même et son groupe ont utilisé SPRINT comme commutateur de photons uniques pour les expédier le long de différentes voies, et ils ont ainsi réussi à transformer le commutateur en routeur photonique. Dans ce travail, l’atome devient une sorte de piège plutôt qu’un commutateur, arrachant un photon du flux, puis retournant à l’état précédent. Le docteur Dayan explique : « Il n’était pas évident qu’on puisse avoir un mécanisme qui continue à fonctionner même dans des flux élevés de photons, ni qu’on réussisse à en sortir exactement un photon unique. »

Cette installation expérimentale du groupe d’optique quantique de l’Institut Weizmann se base sur les technologies de pointe : refroidissement par laser, interception d’atomes (dans ce cas, de rubidium), fabrication de microsphères en verre de très haute qualité, basés sur des puces en silicone, et nanofibres optiques.

Le docteur Dayan ajoute : « La capacité de détourner d’un flux un photon unique pourrait être exploitée dans de nombreuses applications, allant de la création d’états non classiques de lumière, utilisables pour la recherche scientifique de base, en passant par les écoutes électroniques qui s’appuient sur des systèmes d’informations de cryptographie quantique se basant sur des photons uniques, jusqu’à une meilleure sécurité des systèmes de communication quantique.

L’existence des photons a été suggérée pour la première fois par Einstein en 1905, mais il y a seulement quelques années qu’on a commencé à comprendre leurs propriétés. Le docteur Dayan est convaincu que la nouvelle méthode de son groupe permettra de mieux les comprendre et de les contrôler en tant que particules individuelles.

La recherche du docteur Barak Dayan est financée par le Benoziyo Endowment Fund for the Advancement of Science ; Crown Photonics Center ; Rothschild Caesarea Foundation ; Deloro Institute for Advanced Research in Space and Optics. Le docteur Dayan est titulaire de la Joseph and Celia Reskin Career Development Chair.

Une maladie rare ouvre un horizon sur le cancer

Des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences ont réussi à ‘arracher’ un unique photon (une particule de lumière) à une impulsion de lumière. Les résultats de cette recherche, qui viennent d’être publiés dans la revue Nature Photonics, ont une importance à la fois théorique et pratique : en effet, la lumière est actuellement à la base des systèmes de communication, et les photons isolés seront probablement les piliers des systèmes de communication quantique de l’avenir. De plus, selon les chercheurs, les méthodes qu’ils ont mises au point encourageront de nouvelles recherches sur la nature corpusculaire de la lumière.

Le docteur Barak Dayan, qui dirige le groupe d’optique quantique de l’Institut Weizmann, explique : « Lorsque nous serons passés à la communication quantique, l’information devra être codée en photons. Chaque photon représentera un unique qubit, c’est-à-dire un bit quantique qui peut exister dans plus d’un état à la fois (par exemple une combinaison égale de 1 et 0). »

Le docteur Dayan et son groupe de recherche sous la direction du docteur Serge Rosenblum et d’Orel Bechler ont mis en place une méthode pour extraire d’un flux, sur demande, un unique photon de manière contrôlée. Le système repose sur un effet physique qu’ils appellent ‘interaction Raman de photon unique’, ou encore SPRINT, qui est basé sur un atome unique, ou sur un système imitant un atome. Selon le docteur Dayan, l’avantage de SPRINT est qu’il est complètement passif, il ne demande pas de champ de contrôle, mais seulement une interaction entre l’atome et une impulsion optique. Dans une recherche antérieure, lui-même et son groupe ont utilisé SPRINT comme commutateur de photons uniques pour les expédier le long de différentes voies, et ils ont ainsi réussi à transformer le commutateur en routeur photonique. Dans ce travail, l’atome devient une sorte de piège plutôt qu’un commutateur, arrachant un photon du flux, puis retournant à l’état précédent. Le docteur Dayan explique : « Il n’était pas évident qu’on puisse avoir un mécanisme qui continue à fonctionner même dans des flux élevés de photons, ni qu’on réussisse à en sortir exactement un photon unique. »

Cette installation expérimentale du groupe d’optique quantique de l’Institut Weizmann se base sur les technologies de pointe : refroidissement par laser, interception d’atomes (dans ce cas, de rubidium), fabrication de microsphères en verre de très haute qualité, basés sur des puces en silicone, et nanofibres optiques.

Le docteur Dayan ajoute : « La capacité de détourner d’un flux un photon unique pourrait être exploitée dans de nombreuses applications, allant de la création d’états non classiques de lumière, utilisables pour la recherche scientifique de base, en passant par les écoutes électroniques qui s’appuient sur des systèmes d’informations de cryptographie quantique se basant sur des photons uniques, jusqu’à une meilleure sécurité des systèmes de communication quantique.

L’existence des photons a été suggérée pour la première fois par Einstein en 1905, mais il y a seulement quelques années qu’on a commencé à comprendre leurs propriétés. Le docteur Dayan est convaincu que la nouvelle méthode de son groupe permettra de mieux les comprendre et de les contrôler en tant que particules individuelles.

La recherche du docteur Barak Dayan est financée par le Benoziyo Endowment Fund for the Advancement of Science ; Crown Photonics Center ; Rothschild Caesarea Foundation ; Deloro Institute for Advanced Research in Space and Optics. Le docteur Dayan est titulaire de la Joseph and Celia Reskin Career Development Chair.

Une maladie rare ouvre un horizon sur le cancer

Des protéines connues comme détecteurs visuels jouent un rôle dans le mouvement des spermatozoïdes à la recherche de chaleur

Dans leur voyage difficile vers l’ovule, les spermatozoïdes ‘sentent’ la chaleur des trompes utérines et le ‘goût’ des signaux chimiques de l’ovule. Mais une nouvelle recherche de l’Institut Weizmann, publiée dans la revue Scientific Reports, montre qu’en fait les spermatozoïdes utilisent des capteurs qu’on identifie en général comme appartenant au système visuel.

Si un spermatozoïde, d’une longueur d’environ 46 microns (= milliers de millimètres), était de la taille d’un être humain, il devrait nager sur plusieurs kilomètres pour atteindre son but. Il faut donc que les spermatozoïdes soient guidés par différents signaux.

Des recherches précédentes ont amené le professeur Michael Eisenbach, de l’Institut Weizmann, à découvrir avec son équipe deux de ces mécanismes d’orientation : la détection de la chaleur et les signaux chimiques. L’attraction par la chaleur fonctionne sur l’échelle la plus grande : le site de la fécondation est plus chaud que l’endroit à l’entrée de la trompe utérine où les spermatozoïdes s’arrêtent pour parvenir à maturité, et la différence de température les dirige vers l’ovule. Lorsqu’ils approchent de l’ovule, ils reçoivent ses signaux chimiques. Le professeur Eisenbach explique que dans la navigation vers l’ovule, comme dans tous les processus importants de la nature, les spermatozoïdes se basent sur plus d’un mécanisme, de sorte que si l’un d’eux cesse de fonctionner, d’autres peuvent le remplacer.

Les spermatozoïdes sont extrêmement sensibles à la chaleur. D’une distance équivalente à la longueur d’un spermatozoïde, ils peuvent sentir des différences de température aussi infimes que 0.0006° C. Cette sensibilité leur permet d’être guidés par une augmentation très graduelle de température sur leur chemin vers le site de fécondation.

Dans cette nouvelle étude, le groupe du professeur Eisenbach – le docteur Serafin Pérez-Cerezales, le docteur Sergi Boryshpolets, Oshri Afanzar, la docteure Reinat Nevo et Vladimir Kiss du département de Chimie biologique, et le docteur Alexander Brandis, des Services biologiques – ont voulu découvrir exactement comment les spermatozoïdes sentent la chaleur. Ils ont examiné une certaine catégorie de récepteurs qui, selon les résultats de leurs recherches précédentes, semblaient jouer un rôle dans la transmission de signaux aux spermatozoïdes. Dans cette catégorie, ils se sont concentrés sur une famille de protéines, les opsines.

Les opsines sont généralement connues pour le rôle qu’elles jouent dans un tout autre domaine, le système visuel. Une protéine importante de cette famille, la rhodopsine, sert de photorécepteur dans les cellules de la rétine. Or des recherches effectuées par d’autres chercheurs travaillant sur les larves de la drosophile ont permis de découvrir que cette protéine réagit à la chaleur, ce qui suggère qu’elle pourrait jouer ce rôle dans le cas des spermatozoïdes.

Les chercheurs de l’Institut Weizmann ont découvert que plusieurs protéines de la famille de récepteurs des opsines sont présentes à la surface des spermatozoïdes de la souris et de l’homme. Chaque opsine a son propre modèle de distribution sur les spermatozoïdes, et chacune semble contribuer, grâce à son propre groupe de signaux, à la sensation de chaleur. Lorsque les chercheurs ont bloqué les signaux provenant de ces opsines, les spermatozoïdes n’ont plus réussi à avancer d’un endroit froid vers un endroit plus chaud.

Ces découvertes assez surprenantes pourraient expliquer la présence énigmatique des opsines dans certains organes qui ne sont pas exposés à la lumière, comme les poumons et le foie. Elles suggèrent que les opsines de mammifères pourraient jouer un rôle dans la sensibilité à la chaleur dans cette partie du corps.