La communication quantique et la cryptographie sont l'avenir de la communication de haute sécurité. Mais de nombreux défis nous attendent avant qu'un réseau quantique mondial puisse être mis en place, y compris la propagation du signal quantique sur de longues distances. L'un des enjeux majeurs est de créer des mémoires capables de stocker des informations quantiques véhiculées par la lumière. Chercheurs à l'Université de Genève (UNIGE), La Suisse, en partenariat avec le CNRS, La France, ont découvert un nouveau matériau dans lequel un élément, ytterbium, peut stocker et protéger les informations quantiques fragiles même en fonctionnant à des fréquences élevées. Cela fait de l'ytterbium un candidat idéal pour les futurs réseaux quantiques, où le but est de propager le signal sur de longues distances en agissant comme des répéteurs. Ces résultats sont publiés dans la revue Matériaux naturels .

La cryptographie quantique utilise aujourd'hui la fibre optique sur plusieurs centaines de kilomètres et se caractérise par son haut degré de sécurité :il est impossible de copier ou d'intercepter une information sans la faire disparaître.

Cependant, le fait qu'il soit impossible de copier le signal empêche aussi les scientifiques de l'amplifier pour le diffuser sur de longues distances, comme c'est le cas avec le réseau Wi-Fi.

Trouver le bon matériau pour produire des mémoires quantiques

Comme le signal ne peut pas être copié ou amplifié sans qu'il ne disparaisse, les scientifiques travaillent actuellement sur la façon de fabriquer des mémoires quantiques capables de le répéter en capturant les photons et en les synchronisant pour qu'ils puissent être diffusés de plus en plus loin. Il ne reste plus qu'à trouver le bon matériau pour fabriquer ces mémoires quantiques. "La difficulté est de trouver un matériau capable d'isoler l'information quantique véhiculée par les photons des perturbations environnementales pour pouvoir les retenir une seconde environ et les synchroniser, " explique Mikael Afzelius, chercheur au Département de physique appliquée de la Faculté des sciences de l'UNIGE. "Mais un photon voyage autour de 300, 000 km en une seconde ! » Cela impliquait que les physiciens et les chimistes devaient déterrer un matériau très bien isolé des perturbations mais capable de fonctionner à des fréquences élevées pour que le photon puisse être stocké et restitué rapidement, deux caractéristiques souvent considéré comme incompatible.

Un "point de basculement" pour le "Saint Graal" des terres rares

Bien que des prototypes de mémoire quantique testés en laboratoire existent déjà, y compris celles à base de terres rares telles que l'europium ou le praséodyme, leur vitesse n'est pas encore assez élevée. "Donc, nous nous sommes tournés vers une terre rare du tableau périodique qui n'avait reçu que peu d'attention jusqu'à présent :l'ytterbium, " explique Nicolas Gisin, professeur au Département de Physique Appliquée de la Faculté des Sciences de l'UNIGE et fondateur d'ID Quantique. "Notre objectif était de trouver le matériau idéal pour fabriquer des répéteurs quantiques, qui consiste à isoler les atomes de leur environnement, qui a tendance à perturber le signal, " ajoute le professeur Gisin. Et cela semble être le cas avec l'ytterbium !

Les physiciens de l'UNIGE et du CNRS ont découvert que, en soumettant cette terre rare à des champs magnétiques très précis, l'atome de terre rare entre dans un état d'insensibilité qui le coupe des perturbations de son environnement, permettant de piéger le photon pour le synchroniser. "Nous avons trouvé un "point magique" en faisant varier l'amplitude et la direction du champ magnétique, " dit Alexeï Tiranov, chercheur au Département de Physique Appliquée de l'UNIGE, et Philippe Goldner, chercheur à l'institut de recherche Chimie Paris. "Quand ce point est atteint, les temps de cohérence des atomes d'ytterbium sont multipliés par 1, 000, tout en travaillant à hautes fréquences!"

Les bienfaits de l'ytterbium

Les physiciens sont aujourd'hui en train de construire des mémoires quantiques à base d'ytterbium permettant de passer rapidement d'un répéteur à un autre tout en conservant le photon le plus longtemps possible pour permettre la synchronisation nécessaire. « Ce matériau ouvre un nouveau champ de possibilités pour créer un réseau quantique mondial; il souligne également l'importance de poursuivre la recherche fondamentale en parallèle avec la recherche plus appliquée, comme la conception d'une mémoire quantique, " conclut Afzelius.