Des chercheurs du Laboratoire Kastler Brossel (LKB) à Paris ont franchi une barrière clé dans les performances de la mémoire quantique. Leurs travaux ont permis le premier stockage et récupération sécurisés de bits quantiques.

Les physiciens de LKB ont plus que doublé l'efficacité du stockage optique des qubits, de 30 % à près de 70 %, ce qui rend possible un stockage et une récupération sécurisés. La mémoire quantique est essentielle pour les futurs réseaux quantiques. La capacité de synchroniser les bits quantiques a des applications dans les protocoles de communication quantique longue distance ou les algorithmes de calcul. Avec une efficacité bien supérieure à 50 %, le stockage quantique permet désormais la sécurité des protocoles.

"L'efficacité atteinte peut augmenter l'évolutivité du réseau quantique et elle ouvre également la voie à des tâches avancées où l'efficacité joue un rôle essentiel, comme dans les protocoles de certification ou l'argent quantique infalsifiable, " dit le Dr Kun Huang, un boursier postdoctoral et un auteur principal de l'étude. "Cet appareil peut désormais être au cœur de nombreuses recherches difficiles pour les réseaux quantiques."

Dans les dernières années, la mémoire quantique a été implémentée dans une variété de matériaux, comme les ions, cristaux et atomes froids, qui permettent le contrôle de l'interaction entre le support d'information, généralement un photon, et un support physique pour le stockage. Cependant, aucune mémoire n'a été capable de stocker et de récupérer un qubit à un taux de réussite supérieur à 30 pour cent jusqu'à présent.

Dans le numéro en ligne du 25 janvier de Communication Nature , Pr Julien Laurat et son équipe au LKB, partie de Sorbonne Université et du CNRS, ont signalé avoir stocké des qubits optiques avec une efficacité record de 70 %, tout en préservant une fidélité au qubit d'entrée au-delà de 99%.

« Nous avons sélectionné un certain nombre d'éléments clés et avons pu pour la première fois les combiner en une seule configuration. Ce travail a été essentiel pour atteindre la plus grande efficacité à ce jour pour le stockage et la lecture d'un qubit optique, " dit Pierre Vernaz-Gris, un ancien doctorant qui a réalisé l'expérience et l'un des deux auteurs principaux de l'article.

L'expérience implique la conversion d'un qubit photonique en une excitation atomique d'atomes de césium refroidis par laser. Avec le protocole de transparence induite électromagnétiquement, un faisceau laser de contrôle rend le support transparent et ralentit le signal lumineux incident portant l'information. Lorsque le signal est contenu dans l'ensemble et que le faisceau de contrôle est éteint, l'information est convertie en une excitation collective des atomes, qui est stocké jusqu'à ce que les faisceaux de contrôle soient à nouveau allumés.

Cette technique, masterisé au LKB, a déjà été utilisé pour des expériences de mémoire quantique au cours des années précédentes, mais l'efficacité du processus dépend fortement du nombre d'atomes impliqués dans l'interaction. L'équipe de Laurat a donc préparé un nuage très allongé d'atomes ultrafroids (près de trois centimètres de long), qui a permis un stockage efficace. La percée est survenue lorsque l'équipe de recherche a pu effectuer un multiplexage spatial du nuage d'atomes compressé. Le LKB réussit à obtenir simultanément un stockage efficace et un multiplexage spatial, en plus d'un rapport signal/bruit élevé.

Cette démonstration fait suite à d'autres travaux que le groupe de Laurat a réalisés ces dernières années, dont la réalisation d'une mémoire quantique à plusieurs degrés de liberté ou la démonstration initiale de la lumière arrêtée dans une fibre optique.