Dans une étude récente publiée dans La nature , Les chercheurs de l'ICFO dirigés par le professeur ICREA Hugues de Riedmatten rapportent un lien de réseau quantique "hybride" élémentaire et démontrent une communication quantique photonique entre deux nœuds quantiques distincts placés dans des laboratoires différents, utilisant un seul photon comme support d'information.

Aujourd'hui, les réseaux d'information quantique se multiplient pour devenir une technologie perturbatrice qui offrira des capacités radicalement nouvelles pour le traitement de l'information et la communication. Des recherches récentes suggèrent que cette révolution des réseaux quantiques pourrait être imminente.

Les éléments clés d'un réseau d'information quantique sont des nœuds quantiques de traitement de l'information constitués de systèmes de matière tels que des gaz atomiques froids ou des solides dopés, et les particules communicantes, principalement des photons. Alors que les photons semblent être de parfaits vecteurs d'informations, il existe encore une incertitude quant au système de matière qui pourrait être utilisé comme nœud de réseau, car chaque système offre des fonctionnalités différentes. Par conséquent, la mise en place d'un réseau hybride a été proposée, cherchant à combiner les meilleures capacités de différents systèmes matériels.

Des études antérieures ont documenté des transferts fiables d'informations quantiques entre des nœuds identiques, mais c'est la première fois que cela est réalisé avec un réseau « hybride » de nœuds. Les chercheurs de l'ICFO ont développé une solution et résolu le défi d'un transfert fiable d'états quantiques entre différents nœuds quantiques via des photons uniques. Un photon unique doit interagir fortement et dans un environnement sans bruit avec les nœuds ou systèmes de matière hétérogènes, qui fonctionnent généralement à différentes longueurs d'onde et largeurs de bande. Comme le précise Nicolas Maring, « c'est comme avoir des nœuds parlant dans deux langues différentes. Pour qu'ils communiquent, il est nécessaire de convertir les propriétés du photon unique afin qu'il puisse transférer efficacement toutes les informations entre ces différents nœuds."

Comment ont-ils résolu le problème ?

Dans leur étude, les chercheurs de l'ICFO ont utilisé deux nœuds quantiques bien distincts :le nœud émetteur était un nuage d'atomes de rubidium refroidi par laser et le nœud récepteur un cristal dopé aux ions praséodyme. Du gaz froid, ils ont généré un bit quantique (qubit) codé dans un seul photon avec une bande passante très étroite et une longueur d'onde de 780 nm. Ils ont ensuite converti le photon à la longueur d'onde de 1552 nm pour démontrer que ce réseau pouvait être totalement compatible avec la gamme actuelle des télécommunications en bande C. Ensuite, ils l'ont envoyé à travers une fibre optique d'un laboratoire à l'autre. Une fois dans le deuxième laboratoire, la longueur d'onde du photon a été convertie à 606 nm afin d'interagir correctement et de transférer l'état quantique au nœud de cristal dopé récepteur. Lors de l'interaction avec le cristal, le qubit photonique a été stocké dans le cristal pendant environ 2,5 microsecondes et récupéré avec une très haute fidélité.

Les résultats de l'étude montrent que deux systèmes quantiques très différents peuvent être connectés et communiquer au moyen d'un seul photon. Le professeur ICREA de l'ICFO Hugues de Riedmatten déclare :"Être capable de connecter des nœuds quantiques dotés de fonctionnalités et de capacités très différentes et de transmettre des bits quantiques au moyen de photons uniques entre eux représente une étape importante dans le développement de réseaux quantiques hybrides." La capacité d'effectuer une conversion aller-retour de qubits photoniques à la longueur d'onde de la bande C des télécommunications montre que ces systèmes seraient complètement compatibles avec les réseaux de télécommunications actuels.

Avantages des réseaux d'information quantiques par rapport aux réseaux d'information classiques

Le World Wide Web a été développé dans les années 1980, avec des informations circulant dans le réseau au moyen de bits traités et modulés par des circuits électroniques et des puces et transmis par des impulsions lumineuses qui déplacent les informations à travers le réseau avec des pertes de signal minimales via des fibres optiques.

Au lieu d'utiliser les bits classiques, les réseaux d'informations quantiques traiteraient et stockeraient les informations quantiques par le biais de bits quantiques ou "qubits". Alors que les bits peuvent être des zéros ou des uns, les qubits existent dans une superposition de ces deux états. Dans un réseau quantique, ils sont générés et traités par des systèmes de matière quantique, par exemple. gaz atomiques froids, solides dopés ou autres systèmes. Contrairement aux réseaux classiques, les informations quantiques sont transférées entre les nœuds à l'aide de photons uniques au lieu de fortes impulsions lumineuses.

Les réseaux d'information quantique (constitués de nœuds quantiques de matière et de canaux de communication quantiques) ouvriront une nouvelle voie de technologies de rupture, permettre, par exemple, transmission de données parfaitement sécurisée, traitement amélioré des données via l'informatique quantique distribuée ou des applications avancées de synchronisation d'horloge, entre autres.