Concernant le développement de mémoires quantiques pour la réalisation de réseaux quantiques globaux, Les scientifiques de la division de dynamique quantique dirigée par le professeur Gerhard Rempe de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) ont maintenant réalisé une percée majeure :ils ont démontré le stockage à longue durée de vie d'un qubit photonique sur un seul atome piégé dans un résonateur optique. Le temps de cohérence du bit quantique stocké dépasse 100 millisecondes et correspond donc à l'exigence de création d'un réseau quantique global dans lequel les qubits sont directement téléportés entre les nœuds d'extrémité. « Les temps de cohérence que nous atteignons représentent une amélioration de deux ordres de grandeur par rapport à l'état de l'art actuel, " dit le professeur Rempe. L'étude est publiée dans Photonique de la nature aujourd'hui.

La lumière est un vecteur idéal pour l'information quantique codée sur des photons uniques, mais le transfert sur de longues distances est inefficace et peu fiable en raison des pertes. La téléportation directe entre les nœuds d'extrémité d'un réseau peut être utilisée pour empêcher la perte de précieux bits quantiques. D'abord, un enchevêtrement à distance doit être créé entre les nœuds ; alors, une mesure appropriée côté émetteur déclenche "l'action effrayante à distance, " c'est-à-dire le transport instantané du qubit vers le nœud du récepteur. Cependant, le bit quantique peut être tourné lorsqu'il atteint le récepteur et doit donc être inversé. À cette fin, les informations nécessaires doivent être classiquement communiquées de l'expéditeur au destinataire. Cela prend un certain temps, pendant laquelle le qubit doit être conservé au niveau du récepteur. Considérant deux nœuds de réseau aux endroits les plus éloignés sur terre, cela correspond à un laps de temps de 66 millisecondes.

En 2011, Le groupe du professeur Rempe a démontré une technique efficace pour stocker un bit quantique photonique sur un seul atome. L'atome est placé au centre d'une cavité optique formée de deux miroirs à haute finesse et maintenu en place par des ondes lumineuses stationnaires. Un photon unique qui transporte le bit quantique dans une superposition cohérente de deux états de polarisation commence à interagir fortement avec l'atome unique une fois qu'il est envoyé dans le résonateur. Finalement, le photon est absorbé par l'atome et le bit quantique est transféré dans une superposition cohérente de deux états atomiques. L'enjeu est de maintenir la superposition atomique le plus longtemps possible. Dans des expériences antérieures, le temps de stockage était limité à quelques centaines de microsecondes.

"Le problème majeur du stockage des bits quantiques est le phénomène de déphasage, " explique Stefan Langenfeld, un doctorant à l'expérimentation. "La caractéristique d'un bit quantique est la phase relative des fonctions d'onde des états atomiques qui se superposent de manière cohérente. Malheureusement, dans des expériences réelles, cette relation de phase est perdue au fil du temps principalement en raison de l'interaction avec les champs magnétiques ambiants fluctuants."

Dans leur expérience actuelle, les scientifiques prennent de nouvelles mesures pour contrer l'impact de ces fluctuations. Une fois l'information transférée du photon à l'atome, la population d'un état atomique est transférée de manière cohérente vers un autre état. Ceci est fait en utilisant une paire de faisceaux laser pour induire une transition Raman. Dans cette nouvelle configuration, le qubit stocké est 500 fois moins sensible aux fluctuations du champ magnétique.

Avant la récupération du bit quantique photonique stocké, la transition Raman est inversée. Pour un temps de stockage de 10 millisecondes, le chevauchement du photon stocké avec le photon récupéré est d'environ 90 %. Ça signifie, que le simple transfert du qubit atomique vers une configuration d'état moins sensible allonge le temps de cohérence d'un facteur 10. Un autre facteur 10 a été gagné en ajoutant un "écho de spin" à la séquence expérimentale. Ici, la population des deux états atomiques utilisés pour le stockage est permutée au milieu du temps de stockage. « La nouvelle technique nous permet de conserver la nature quantique du bit stocké pendant plus de 100 millisecondes, " dit Matthias Körber, un doctorant à l'expérimentation. « Bien qu'un réseau quantique mondial envisagé permettant un transport sécurisé et fiable de l'information quantique demande encore beaucoup de recherche, le stockage de longue durée de bits quantiques est l'une des technologies clés et nous pensons que les améliorations actuelles nous rapprocheront considérablement de sa réalisation. »