Certains des systèmes de communication les plus avancés actuellement en cours de développement reposent sur les propriétés de la science quantique pour stocker et transporter des informations. Cependant, des chercheurs concevant des systèmes de communication quantique qui reposent sur la lumière, plutôt que le courant électrique, pour transmettre des informations face à un dilemme :les composants optiques qui stockent et traitent les informations quantiques nécessitent généralement des photons de lumière visible (particules de lumière) pour fonctionner. Cependant, seuls les photons dans le proche infrarouge, avec des longueurs d'onde environ 10 fois plus longues, peuvent transporter cette information sur des kilomètres de fibres optiques.

Maintenant, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé une nouvelle façon de résoudre ce problème. Pour la première fois, l'équipe a créé des paires corrélées quantiques composées d'un photon visible et d'un photon proche infrarouge à l'aide de composants optiques à base de puces qui peuvent être produits en série. Ces paires de photons combinent le meilleur des deux mondes :les partenaires de la lumière visible peuvent interagir avec les atomes piégés, ions, ou d'autres systèmes qui servent de versions quantiques de la mémoire informatique tandis que les membres proches de l'infrarouge de chaque couple sont libres de se propager sur de longues distances à travers la fibre optique.

La réalisation promet d'augmenter la capacité des circuits basés sur la lumière à transmettre en toute sécurité des informations à des endroits éloignés. Chercheurs du NIST Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan et leurs collègues du NanoCenter de l'Université du Maryland à College Park, a démontré la corrélation quantique, connu sous le nom d'enchevêtrement, en utilisant une paire spécifique de photons de lumière visible et de proche infrarouge. Cependant, les méthodes de conception des chercheurs peuvent être facilement appliquées pour créer de nombreuses autres paires lumière visible/proche infrarouge adaptées pour correspondre à des systèmes d'intérêt spécifiques. De plus, les composants optiques miniatures qui ont créé les enchevêtrements sont fabriqués en grand nombre.

Lou, Srinivasan et leurs collègues ont récemment décrit leur travail dans Physique de la nature .

L'une des propriétés les plus contre-intuitives de la mécanique quantique, l'intrication quantique se produit lorsque deux ou plusieurs photons ou autres particules sont préparés d'une manière qui les rend si intrinsèquement connectés qu'ils se comportent comme une seule unité. Une mesure qui détermine l'état quantique de l'une des particules intriquées détermine automatiquement l'état de l'autre, même si les deux particules se trouvent de part et d'autre de l'univers. L'intrication est au cœur de nombreux schémas d'information quantique, y compris l'informatique quantique et le cryptage.

Dans de nombreuses situations, les deux photons qui sont intriqués ont des longueurs d'onde similaires, ou couleurs. Mais les chercheurs du NIST ont délibérément entrepris de créer des couples étranges, des enchevêtrements entre des photons dont les couleurs sont très différentes.

"Nous voulions lier ensemble des photons de lumière visible, qui sont bons pour stocker des informations dans les systèmes atomiques, et les photons de télécommunication, qui sont dans le proche infrarouge et bons à voyager à travers les fibres optiques avec une faible perte de signal, " dit Srinivasan.

Pour rendre les photons aptes à interagir avec la plupart des systèmes de stockage d'informations quantiques, l'équipe avait également besoin que la lumière soit fortement accentuée à une longueur d'onde particulière plutôt que d'avoir une plus large, diffusion plus diffuse.

Pour créer les paires enchevêtrées, l'équipe a construit une "galerie de chuchotements" optique spécialement conçue - un résonateur en nitrure de silicium de taille nanométrique qui dirige la lumière autour d'une minuscule piste de course, similaire à la façon dont les ondes sonores se déplacent sans entrave autour d'un mur incurvé comme le dôme de la cathédrale Saint-Paul de Londres. Dans de telles structures courbes, connu sous le nom de galeries de chuchotement acoustique, une personne debout près d'une partie du mur entend facilement un faible son provenant de toute autre partie du mur.

Lorsqu'une longueur d'onde sélectionnée de la lumière laser a été dirigée dans le résonateur, des paires enchevêtrées de photons de lumière visible et proche infrarouge ont émergé. (Le type spécifique d'enchevêtrement utilisé dans l'expérience, connu sous le nom d'intrication temps-énergie, relie l'énergie des paires de photons au moment où elles sont générées.)

"Nous avons trouvé comment concevoir ces résonateurs de galerie chuchotants pour produire un grand nombre des paires que nous voulions, avec très peu de bruit de fond et d'autres lumières parasites, ", a déclaré Lu. Les chercheurs ont confirmé que l'enchevêtrement persistait même après que les photons de télécommunication aient traversé plusieurs kilomètres de fibre optique.

À l'avenir, en combinant deux des paires intriquées avec deux mémoires quantiques, l'intrication inhérente aux paires de photons peut être transférée aux mémoires quantiques. Cette technique, connu sous le nom d'échange d'enchevêtrement, permet aux souvenirs d'être enchevêtrés les uns avec les autres sur une distance beaucoup plus longue que ce qui serait normalement possible.

"Notre contribution a été de comprendre comment créer une source de lumière quantique avec les bonnes propriétés qui pourraient permettre un tel enchevêtrement à longue distance, " dit Srinivasan.