L'élément central de notre répéteur quantique est un cube de verre. Nous mettons deux photons indépendants, et tant que nous pouvons détecter deux photons sortant de l'autre côté, nous savons que nous pouvons effectuer un échange d'intrication. Crédit :Université Wits
Communication Nature publie aujourd'hui les recherches d'une équipe composée de chercheurs écossais et sud-africains, démontrant l'échange d'intrication et la téléportation des « modèles » de la lumière du moment angulaire orbital. Il s'agit d'une étape cruciale vers la réalisation d'un répéteur quantique pour les états intriqués de grande dimension.
La communication quantique sur de longues distances fait partie intégrante de la sécurité de l'information et a été démontrée dans l'espace libre et la fibre avec des états bidimensionnels, récemment sur des distances supérieures à 1200 km entre les satellites. Mais n'utiliser que deux états réduit la capacité d'information des photons, le lien est donc sécurisé mais lent. Pour le rendre sûr et rapide, il faut un alphabet de dimension supérieure, par exemple, en utilisant des motifs de lumière, dont il existe un nombre infini. L'un de ces ensembles de modèles est le moment angulaire orbital (OAM) de la lumière. Des débits binaires accrus peuvent être obtenus en utilisant OAM comme support d'informations. Cependant, de tels états de photons se dégradent lorsqu'ils sont transmis sur de longues distances, par exemple, par couplage de modes dans la fibre ou turbulence dans l'espace libre, nécessitant ainsi un moyen d'amplifier le signal. Malheureusement, une telle "amplification" n'est pas autorisée dans le monde quantique, mais il est possible de créer une analogie, appelé répéteur quantique, semblable aux répéteurs à fibre optique dans les réseaux optiques classiques.
Une partie intégrante d'un répéteur quantique est la capacité d'entremêler deux photons qui n'ont jamais interagi - un processus appelé « échange d'intrication ». Ceci est accompli en interférant deux photons de paires intriquées indépendantes, entraînant l'enchevêtrement des deux photons restants. Ceci permet l'établissement d'intrication entre deux points distants sans nécessiter qu'un photon parcoure toute la distance, réduisant ainsi les effets de la pourriture et de la perte. Cela signifie également que vous n'avez pas besoin d'avoir une ligne de vue entre les deux endroits.
Alphabet des modes OAM. Les modes OAM sont parfois appelés lumière torsadée car la lumière apparaît sous la forme d'un anneau avec un vortex au milieu. La lumière peut être tordue une fois, à deux reprises, trois fois et ainsi de suite pour créer un alphabet de grande dimension. Crédit :Université Wits
Un résultat de ceci est que l'information d'un photon peut être transférée à l'autre, un processus appelé téléportation. Comme dans la série de science-fiction, Star Trek, où les gens sont "transportés" d'un endroit à un autre, l'information est "téléportée" d'un endroit à un autre. Si deux photons sont intriqués et que vous modifiez une valeur sur l'un d'eux, puis l'autre change automatiquement aussi. Cela se produit même si les deux photons ne sont jamais connectés et, En réalité, sont à deux endroits complètement différents.
Dans ce dernier ouvrage, l'équipe a effectué la première démonstration expérimentale de l'échange d'intrication et de la téléportation pour les états de lumière du moment angulaire orbital (OAM). Ils ont montré que des corrélations quantiques pouvaient être établies entre des photons auparavant indépendants, et que cela pourrait être utilisé pour envoyer des informations via un lien virtuel. Surtout, le schéma est évolutif à des dimensions supérieures, ouvrant la voie à la communication quantique longue distance avec une grande capacité d'information.
Schéma de l'expérience. Quatre photons sont créés, une paire de chaque source d'intrication (BBO). Un de chaque paire (B et C) sont réunis sur un séparateur de faisceau. Lorsque les quatre photons sont mesurés ensemble, on constate que les photons A et D, qui auparavant était indépendant, sont maintenant enchevêtrés. Crédit :Université Wits
Fond
Les systèmes de communication actuels sont très rapides, mais pas fondamentalement sûr. Pour les sécuriser, les chercheurs utilisent les lois de la Nature pour l'encodage en exploitant les propriétés bizarres du monde quantique. Une de ces propriétés est l'enchevêtrement. Lorsque deux particules sont enchevêtrées, elles sont connectées dans un sens effrayant :une mesure sur l'une change immédiatement l'état de l'autre, quelle que soit leur distance. L'intrication est l'une des ressources essentielles nécessaires à la réalisation d'un réseau quantique.
Pourtant, une liaison de communication quantique sécurisée sur de longues distances est très difficile :les liaisons quantiques utilisant des motifs lumineux languissent à courte distance précisément parce qu'il n'y a aucun moyen de protéger la liaison contre le bruit sans détecter les photons, pourtant, une fois qu'ils sont détectés, leur utilité est détruite. Pour surmonter cela, on peut avoir une station de répétition à des distances intermédiaires - cela permet de partager des informations sur une distance beaucoup plus longue sans avoir besoin que les informations circulent physiquement sur ce lien. L'ingrédient de base est d'obtenir que les photons indépendants s'entremêlent. Bien que cela ait été démontré précédemment avec des états bidimensionnels, dans ce travail, l'équipe a montré la première démonstration avec OAM et dans des espaces de grande dimension.
