image: Schematic illustration of the experimental setup and the location of the labs in the ICFO building. view more
Credit: ©ICFO
- Des chercheurs de l'ICFO publient dans Nature la première réalisation d´une intrication entre deux mémoires quantiques multimodes placées dans deux laboratoires différents séparés par plus de 10 mètres et annoncée par un photon à la longueur d´onde des télécommunications.
- Les scientifiques ont mis en uvre une technique qui leur a permis d'atteindre un record en matière de taux d'intrication dans un système pouvant être intégré au réseau de communication par fibre optique, ouvrant la voie à un fonctionnement sur de longues distances.
- Ces résultats sont considérés comme un jalon pour les communications quantiques et une grande avancée dans le développement de répéteurs quantiques pour l'internet quantique de l'avenir.
Au cours des années 90, les ingénieurs ont réalisé des avancées majeures dans le domaine des télécommunications en étendant le réseau sur des distances supérieures aux villes et aux zones métropolitaines. Pour atteindre ce facteur d'extensibilité, ils ont utilisé des répéteurs, qui amplifient les signaux atténués, leur permettant de parcourir des distances plus grandes avec les mêmes caractéristiques telles que l'intensité ou la fidélité. Aujourd'hui, avec l'ajout des satellites, il est tout à fait normal d'être au milieu d'une montagne en Europe et de parler avec vos proches vivant à l'autre bout du monde.
Sur la voie de la construction de l'internet quantique de l'avenir, les mémoires quantiques jouent le même rôle. Avec les sources de qubits, elles sont les éléments constitutifs de ce nouvel internet, agissant comme des répéteurs quantiques des opérations de données et utilisant la superposition et l'intrication comme ingrédients clés du système. Mais pour faire fonctionner un tel système au niveau quantique, l'intrication entre les mémoires quantiques doit être créée sur de longues distances et maintenue aussi efficacement que possible.
Tous ensemble en un
Dans une étude récemment publiée dans la revue Nature, les scientifiques de l'ICFO Dario Lago, Samuele Grandi, Alessandro Seri et Jelena Rakonjac, sous la direction du professeur de l'ICREA à l'ICFO, Hugues de Riedmatten, ont réalisé une intrication matière-matière extensible, adaptée aux télécommunications, entre deux mémoires quantiques distantes, multimodes et à l'état solide. En d'autres termes, ils ont pu stocker un photon unique, pendant un maximum de 25 microsecondes, dans deux mémoires quantiques séparées de 10 mètres.
Les chercheurs savaient que le photon se trouvait dans l'une des deux mémoires, mais ils ne savaient pas dans laquelle, ce qui a mis en évidence cette notion contre-intuitive que nous avons de la nature, qui permet au photon d'être dans un état de superposition quantique dans les deux mémoires quantiques au même moment mais, étonnamment, à 10 mètres de distance. L'équipe savait également que l'intrication était créée par la détection d'un photon à la longueur d'onde des télécoms et qu'elle était stockée dans les mémoires quantiques de manière multiplexée, "une caractéristique qui équivaut à permettre l'envoi simultané de plusieurs messages sur un canal classique". Ces deux caractéristiques essentielles ont été réalisées ensemble pour la première fois et constituent le tremplin pour étendre ce système à des distances beaucoup plus longues.
Comme le souligne avec enthousiasme Dario Lago, doctorant à l'ICFO et premier auteur de l'étude, "jusqu'à présent, plusieurs des étapes importantes de cette expérience ont été réalisées par d'autres groupes, comme l'enchevêtrement des mémoires quantiques ou le stockage des photons dans des mémoires quantiques avec une efficacité et des taux très élevés. Mais le caractère unique de cette expérience est que nos techniques ont atteint des taux très élevés et peuvent être étendues à des distances plus longues."
Mise en place de l'expérience
Il a fallu des efforts et du temps pour réaliser ce point de départ. Au cours de plusieurs mois, l'équipe a déroulé l'expérience, qui utilise un cristal dopé aux terres rares comme mémoire quantique pour la base de l'essai.
Puis, ils ont pris deux sources générant des paires corrélées de photons simples. Dans chaque paire, un photon, appelé idler, est à une longueur d'onde de 1436nm (longueur d'onde télécom), et l'autre, appelé signal, est à une longueur d'onde de 606nm. Les photons signal individuels ont été envoyés dans une mémoire quantique, composée de millions d'atomes placés de manière aléatoire dans un cristal, et y ont été stockés via un protocole appelé peigne de fréquences atomiques. Parallèlement, les photons idlers, également nommés photons annonciateurs ou messagers, ont été envoyés via une fibre optique vers un dispositif appelé séparateur de faisceau, où les informations concernant leur origine et leur trajectoire ont été complètement effacées. Samuele Grandi, chercheur postdoctoral et co-auteur de l'étude, commente : "Nous avons supprimé toute caractéristique qui pouvait nous indiquer d'où venaient les photons annonciateurs, qu'il s'agisse de la source 1 ou 2, et nous l'avons fait car nous ne voulions pas avoir d'information sur le photon signal et sur la mémoire quantique dans laquelle il était stocké". En supprimant ces caractéristiques, le photon signal aurait pu être stocké dans n'importe quelle des mémoires quantiques, ce qui signifie qu'une intrication a été créée entre elles.
Chaque fois que les scientifiques ont vu sur l'écran un clic d'un photon signal arrivant au détecteur, ils ont pu confirmer et vérifier qu'il y avait, en fait, une intrication. Cette intrication consistait en un photon signal dans un état de superposition entre les deux mémoires quantiques, où il était stocké comme une excitation partagée par des dizaines de millions d'atomes pendant un maximum de 25 microsecondes.
Comme Sam et Dario remarquent, "Ce qu'il y a de curieux à propos de l'expérience est qu'il n'est pas possible de savoir si le photon a été stocké dans la mémoire quantique du laboratoire 1 ou du laboratoire 2, qui se trouvait à plus de 10 mètres de distance. Bien qu'il s'agisse de la principale caractéristique de notre expérience, à laquelle nous nous attendions en quelque sorte, les résultats obtenus dans le laboratoire étaient tout de même contre-intuitifs, et ce qui est encore plus étrange et époustouflant pour nous, c'est que nous étions capables de le contrôler !"
L'importance des photons annonciateurs
La plupart des études précédentes qui ont expérimenté avec l'intrication et les mémoires quantiques, a utilisé des photons annonciateurs pour savoir si l'intrication entre les mémoires quantiques avait réussi ou pas. Un photon annonciateur est comme une colombe messagère et les scientifiques peuvent savoir dès son arrivée que l'intrication entre les mémoires quantiques a été établie. Lorsque cela se produit, les tentatives d'intrication s'arrêtent et l'intrication est stockée dans les mémoires avant d'être analysée.
Dans cette expérience, les scientifiques ont utilisé un photon annonciateur dans la fréquence des télécommunications, confirmant que l'intrication produite pouvait être établie avec un photon compatible avec les réseaux de télécommunications existants, un exploit important puisqu'il permet de créer une intrication sur de longues distances et, plus encore, d'intégrer facilement ces technologies quantiques dans les infrastructures de réseaux classiques existantes.
Le multiplexage est la clé
Le multiplexage est la capacité d'un système à envoyer plusieurs messages en même temps par un seul canal de transmission. Dans les télécommunications classiques, il s'agit d'un outil fréquemment utilisé pour transmettre des données sur Internet. Dans les répéteurs quantiques, cette technique est légèrement plus complexe. Avec les mémoires quantiques standard, il faut attendre que le message annonçant l'intrication revienne dans les mémoires, avant de pouvoir réessayer de créer une intrication. Mais en utilisant le protocole du peigne de fréquences atomiques, qui permet cette approche de multiplexage, les chercheurs ont pu stocker les photons intriqués à plusieurs moments différents dans la mémoire quantique, sans avoir à attendre un événement annonciateur réussi avant de générer la prochaine paire intriquée. Cette condition, appelée "multiplexage temporel", est une caractéristique clé qui permet une augmentation majeure du temps opérationnel du système, ce qui entraîne une augmentation du taux d'intrication final.
Prochaines étapes
Comme l'a remarqué avec enthousiasme Hugues de Riedmatten, un professeur d'ICREA à l'ICFO, "cette idée a été conçue il y a plus de 10 ans et je suis ravi de voir qu'elle a maintenant été réalisée en laboratoire. Les prochaines étapes consistent à sortir l'expérience du laboratoire, à essayer de relier différents nuds entre eux et à distribuer l'intrication sur des distances beaucoup plus grandes, au-delà de ce que nous avons actuellement. En fait, nous sommes sur le point de réaliser la première liaison quantique de 35 km, qui sera effectuée entre Barcelone et l'ICFO, à Castelldefels".
Il est clair que le futur réseau quantique fera l'objet de nombreuses applications dans l'avenir proche. Cette étape importante prouve et confirme que nous sommes sur la bonne voie pour développer ces technologies innovantes et commencer à les déployer dans ce que l'on envisage comme une nouvelle voie de communication, l'Internet quantique.
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Référence: Telecom-heralded entanglement between multimode solid-state quantum memories, Dario Lago-Rivera, Samuele Grandi, Jelena V. Rakonjac, Alessandro Seri, and Hugues de Riedmatten, Nature, 2021, https://www.nature.com/articles/s41586-021-03481-8
Liens d'intérêt
Lien vers le résumé vidéo: https://youtu.be/yEuWyta9O6Y
Lien vers le matériel audiovisuel - Images, photos, infographies: https://drive.google.com/drive/folders/1YUQFrxPZzIUFNmvvUoiMOPQ9NT4i_c31?usp=sharing
Lien vers le groupe de recherche dirigé par le professeur de l'ICREA Hugues de Riedmatten: https://www.icfo.eu/lang/research/groups/groups-details?group_id=32
Entités de financement
Cette étude a reçu un financement partiel du projet de recherche de la Quantum Flagship Quantum Internet Alliance (QIA), de la Gordon and Betty Moore Foundation, ainsi que de la Fundació Cellex, de la Fundació Mir-Puig, de la Generalitat de Catalunya et du gouvernement espagnol, entre autres entités.
Journal
Nature