Connexion cruciale terminée : poser les bases de l’Internet quantique
Dr Sarah Thomas travaillant dans le laboratoire d’optique quantique. Crédit : Thomas Angus / Imperial College London
Les chercheurs ont produit, stocké et récupéré des informations quantiques pour la première fois, une étape cruciale dans les réseaux quantiques.
La capacité de partager des informations quantiques est cruciale pour développer des réseaux quantiques pour l’informatique distribuée et la communication sécurisée. L’informatique quantique sera utile pour résoudre certains types de problèmes importants, tels que l’optimisation du risque financier, le décryptage des données, la conception de molécules et l’étude des propriétés des matériaux.
« L’interfaçage de deux appareils clés est une étape cruciale dans la mise en réseau quantique, et nous sommes vraiment ravis d’être la première équipe à avoir pu le démontrer. » — Dr Sarah Thomas
Cependant, ce développement est retardé car les informations quantiques peuvent être perdues lorsqu’elles sont transmises sur de longues distances. Une façon de surmonter cet obstacle consiste à diviser le réseau en segments plus petits et à les relier tous par un état quantique partagé.
Pour ce faire, il faut un moyen pour stocker les informations quantiques et les récupérer à nouveau : c’est-à-dire un dispositif de mémoire quantique. Celui-ci doit « communiquer » avec un autre appareil qui permet en premier lieu de créer des informations quantiques.
Pour la première fois, des chercheurs ont créé un système qui relie ces deux composants clés et utilise des fibres optiques classiques pour transmettre les données quantiques.
L’exploit a été réalisé par des chercheurs de
» data-gt-translate-attributes= »[{« attribute »: »data-cmtooltip », « format »: »html »}] » tabindex= »0″ role= »link »>Imperial College de Londresl’Université de Southampton et les Universités de Stuttgart et de Wurzburg en Allemagne, dont les résultats ont été publiés dans 
La configuration de points quantiques de l’équipe. Crédit : Imperial College de Londres
Communication longue distance
Dans les télécommunications classiques – comme Internet ou les lignes téléphoniques – les informations peuvent être perdues sur de grandes distances. Pour lutter contre cela, ces systèmes utilisent des « répéteurs » à des points réguliers, qui lisent et réamplifient le signal, garantissant ainsi qu’il arrive intact à sa destination.
Toutefois, les répéteurs classiques ne peuvent pas être utilisés avec des informations quantiques, car toute tentative de lecture et de copie de ces informations les détruirait. Il s’agit d’un avantage dans un certain sens, dans la mesure où les connexions quantiques ne peuvent être « exploitées » sans détruire les informations et alerter les utilisateurs. Mais c’est un défi à relever pour les réseaux quantiques longue distance.
Une façon de surmonter ce problème consiste à partager des informations quantiques sous la forme de particules de lumière intriquées, ou photons. Les photons intriqués partagent des propriétés de telle manière que vous ne pouvez pas comprendre les unes sans les autres. Pour partager l’intrication sur de longues distances à travers un réseau quantique, vous avez besoin de deux appareils : un pour créer les photons intriqués et un pour les stocker et permettre leur récupération ultérieure.
Il existe plusieurs dispositifs utilisés pour créer des informations quantiques sous forme de photons intriqués et pour les stocker, mais la génération de ces photons à la demande et la disponibilité d’une mémoire quantique compatible dans laquelle les stocker ont longtemps échappé aux chercheurs.
Les photons ont certaines longueurs d’onde (qui, dans la lumière visible, créent des couleurs différentes), mais les dispositifs permettant de les créer et de les stocker sont souvent réglés pour fonctionner avec des longueurs d’onde différentes, ce qui les empêche de s’interfacer.
Pour créer une interface entre les appareils, l’équipe a créé un système dans lequel les deux appareils utilisaient la même longueur d’onde. Un « point quantique » produisait des photons (non intriqués), qui étaient ensuite transmis à un système de mémoire quantique qui stockait les photons dans un nuage d’atomes de rubidium. Un laser a activé et désactivé la mémoire, permettant aux photons d’être stockés et libérés à la demande.
Non seulement la longueur d’onde de ces deux appareils correspondait, mais elle était également à la même longueur d’onde que celle des réseaux de télécommunications utilisés aujourd’hui, ce qui permettait de la transmettre avec des câbles à fibre optique classiques, familiers aux connexions Internet quotidiennes.
Collaboration européenne
La source lumineuse à points quantiques a été créée par des chercheurs de l’Université de Stuttgart avec le soutien de l’Université de Würzburg, puis importée au Royaume-Uni pour s’interfacer avec le dispositif de mémoire quantique créé par l’équipe Imperial et Southampton. Le système a été assemblé dans un laboratoire au sous-sol de l’Imperial College de Londres.
« Cette fois, la percée a été de réunir des experts pour développer et exécuter chaque partie de l’expérience avec un équipement spécialisé et de travailler ensemble pour synchroniser les appareils. » — Dr. Patrick Ledingham
Bien que des points quantiques indépendants et des mémoires quantiques aient été créés, plus efficaces que le nouveau système, il s’agit de la première preuve que les dispositifs peuvent être conçus pour s’interfacer et aux longueurs d’onde des télécommunications.
L’équipe va maintenant chercher à améliorer le système, notamment en s’assurant que tous les photons sont produits à la même longueur d’onde, en améliorant la durée de stockage des photons et en réduisant la taille de l’ensemble du système.
Cependant, en tant que preuve de concept, il s’agit d’un pas en avant important, déclare le co-auteur Dr Patrick Ledingham de l’Université de Southampton : « Les membres de la communauté quantique tentent activement d’établir ce lien depuis un certain temps. Cela inclut nous, qui avons déjà tenté cette expérience à deux reprises avec différents dispositifs de mémoire et de points quantiques, remontant à plus de cinq ans, ce qui montre à quel point c’est difficile à réaliser.
« Cette fois, la percée a été de réunir des experts pour développer et exécuter chaque partie de l’expérience avec un équipement spécialisé et de travailler ensemble pour synchroniser les appareils. »
Référence : « Stockage et récupération déterministes de la lumière des télécommunications à partir d’un point quantique unique.
» data-gt-translate-attributes= »[{« attribute »: »data-cmtooltip », « format »: »html »}] » tabindex= »0″ role= »link »>photon source interfacée avec une mémoire quantique atomique » par Sarah E. Thomas, Lukas Wagner, Raphael Joos, Robert Sittig, Cornelius Nawrath, Paul Burdekin, Ilse Maillette de Buy Wenniger, Mikhael J. Rasiah, Tobias Huber-Loyola, Steven Sagona-Stophel, Sven Höfling, Michael Jetter, Peter Michler, Ian A. Walmsley, Simone L. Portalupi et Patrick M. Ledingham, 12 avril 2024, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.adi7346
La recherche fait partie du projet financé par l’UE « Qurope: Quantum Repeaters using On-demand Photonic Entanglement ».