Physiciens au LMU, avec des collègues de l'Université de la Sarre, ont démontré avec succès le transport d'un état intriqué entre un atome et un photon via une fibre optique sur une distance allant jusqu'à 20 km, établissant ainsi un nouveau record.

L'intrication décrit un type très particulier d'état quantique qui n'est pas attribué à une seule particule, mais qui est partagé entre deux particules différentes. Cela lie irrévocablement leurs destins ultérieurs, quelle que soit leur distance, ce qui a conduit Albert Einstein à qualifier le phénomène d'« action effrayante à distance ». L'intrication est devenue la pierre angulaire des nouvelles technologies basées sur les effets au niveau quantique et la distribution sur de longues distances est un objectif central de la communication quantique. Aujourd'hui, les chercheurs du LMU dirigés par le physicien Harald Weinfurter, en collaboration avec une équipe de l'Université de la Sarre à Sarrebruck, ont montré que l'état intriqué d'un atome et d'un photon peut être transmis via une fibre optique (comme celles utilisées dans les réseaux de télécommunications) sur une distance allant jusqu'à 20 km. Le précédent record était de 700 mètres. « L'expérience représente une étape importante, dans la mesure où la distance parcourue confirme que l'information quantique peut être diffusée à grande échelle avec peu de pertes, ", dit Weinfurter. "Nos travaux constituent donc une étape cruciale vers la réalisation future des réseaux quantiques."

Les réseaux quantiques sont essentiellement constitués de mémoires quantiques (constituées d'un ou plusieurs atomes, par exemple) qui agissent comme des nœuds, et des canaux de communication dans lesquels les photons (quanta de lumière) peuvent se propager pour relier les nœuds entre eux. Dans leur expérience, les chercheurs ont intriqué un atome de rubidium avec un photon, et ont pu détecter l'état intriqué - qui partage désormais les propriétés quantiques des deux particules - après son passage à travers une bobine de fibre optique de 20 km.

Le plus gros problème rencontré par les expérimentateurs commence par les propriétés de l'atome de rubidium. Suite à une excitation ciblée, ces atomes émettent des photons d'une longueur d'onde de 780 nanomètres, dans le proche infrarouge du spectre. "Dans une fibre optique en verre, la lumière à cette longueur d'onde est rapidement absorbée, " explique Weinfurter. Les réseaux de télécommunications classiques utilisent donc des longueurs d'onde autour de 1550 nanomètres, ce qui réduit considérablement les pertes en transit.

Évidemment, cette longueur d'onde améliorerait également les chances de réussite des expérimentateurs. Alors Matthias Bock, membre du groupe à Sarrebruck, construit ce qu'on appelle un convertisseur de fréquence quantique qui a été spécialement conçu pour augmenter la longueur d'onde des photons émis de 780 à 1520 nanomètres. Cette tâche elle-même a posé un certain nombre de défis techniques extrêmement exigeants. Car il était impératif de s'assurer que la conversion d'un seul photon en un seul autre photon se produise et qu'aucune des autres propriétés de l'état intriqué, notamment la polarisation du photon, ont été modifiés au cours du processus de conversion. Autrement, l'état intriqué serait perdu. "Grâce à l'utilisation de ce convertisseur très efficace, nous avons pu maintenir l'état intriqué sur une plage beaucoup plus longue aux longueurs d'onde des télécommunications, et donc de transporter l'information quantique qu'il transporte sur de longues distances, " dit Weinfurter.

A l'étape suivante, les chercheurs prévoient de convertir en fréquence la lumière émise par un deuxième atome, ce qui devrait leur permettre de générer un enchevêtrement entre les deux atomes sur de longues fibres de télécommunications. Les propriétés des câbles en fibre de verre varient en fonction de facteurs tels que la température et la contrainte auxquelles ils sont exposés. Pour cette raison, l'équipe a l'intention de réaliser d'abord cette expérience dans des conditions contrôlées en laboratoire. En cas de succès, des expériences sur le terrain seront également entreprises en ajoutant de nouveaux nœuds à un réseau en pleine croissance. Après tout, même les longs trajets peuvent être complètement réussis en faisant une étape à la fois.