Des chercheurs du Laboratoire Kastler Brossel à Paris ont réussi à mettre en place un nouveau protocole d'échange d'intrication « hybride », mettre à portée de main la connexion de plateformes disparates dans un futur, de structure hétérogène, Internet quantique.

Le 29 mai ^e numéro en ligne de Avancées scientifiques , Pr Julien Laurat et ses collègues du LKB (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Université PSL, Collège de France), avec des collaborateurs du NIST Boulder, ont annoncé une étape importante vers le développement de réseaux quantiques hétérogènes. L'équipe a démontré un moyen de connecter différents types de nœuds quantiques qui ne sont pas nécessairement basés sur le même type de codage. L'activation d'un tel type de lien est une exigence cruciale pour l'interconnexion de différentes plates-formes physiques pouvant effectuer des tâches dédiées à amélioration quantique.

Les réseaux quantiques sont composés de systèmes quantiques situés à des nœuds distants et connectés via des corrélations non classiques connues sous le nom d'intrication, "l'action effrayante à distance". On pense qu'ils surpassent les réseaux classiques actuels dans des tâches allant de la communication quantique sécurisée aux mesures améliorées. Comme pour les réseaux classiques, où l'information peut être codée en deux codages numériques ou analogiques distincts selon les tâches à accomplir, les réseaux quantiques peuvent s'appuyer sur deux types de codages, comme en témoigne la dualité particule-onde. D'un côté, côté on peut privilégier la nature particulaire des bits quantiques (ou qubits) dans un codage similaire au numérique, et appelé "variable discrète". D'autre part, on pourrait préférer utiliser la "variable continue, " de type analogique, codage qui découle de la nature ondulée des particules, conséquence bien connue de la mécanique quantique.

Dans les réseaux quantiques, la connexion des nœuds distants est réalisée par une opération spécifique appelée permutation d'intrication. Cette procédure permet de connecter des systèmes qui n'ont jamais interagi auparavant en utilisant une mesure spécialisée entre deux autres ressources intriquées séparément avec les systèmes impliqués. Cette opération, connue sous le nom de mesure de l'état de Bell, transfère efficacement - ou "téléporte" - l'enchevêtrement aux systèmes finaux. Cependant, en raison de la fragilité de l'enchevêtrement, mettre en œuvre un protocole si central à l'établissement de connexions quantiques est un véritable défi pour les physiciens. Pour réaliser le transfert d'intrication et la connexion entre différents types de nœuds, deux états fortement intriqués doivent être produits, en particulier un état « hybride-intriqué » entre des qubits de type particule et de type onde. L'équipe de LKB s'est propagée avec succès, de ces deux sources, enchevêtrement entre différents états de lumière qui n'ont jamais directement interagi.

"Ce travail est un tremplin pour d'autres investigations sur la mise en œuvre de réseaux quantiques hétérogènes, " dit Tom Darras, un étudiant diplômé à LKB et l'un des principaux auteurs de l'article. "Jusque là, deux communautés développaient la communication quantique en utilisant des voies différentes. Maintenant que le pont est construit, on s'attend à voir, en utilisant les avantages de chaque branche, l'émergence de nouveaux scénarios hybrides allant bien au-delà des développements actuels."

Les deux états optiques intriqués impliqués dans l'expérience sont conçus à l'aide d'oscillateurs paramétriques optiques, qui sont des sources non linéaires efficaces. Un état intriqué est obtenu en "divisant" un seul photon entre deux chemins différents, sans savoir quel chemin est suivi. L'autre est un état « enchevêtré hybride » entre un qubit optique à variable discrète et un qubit optique de chat de Schrödinger à variable continue, faisant référence à l'expérience de Schrödinger à Gekanden couplant un objet macroscopique à un système quantique. Une fois que l'enchevêtrement est généré par un processus d'annonce, il est ensuite échangé via une mesure hybride unique d'état de Bell. Les auteurs ont accompli chaque étape de cette démonstration, de la création des états intriqués initiaux à la caractérisation complète de l'intrication après l'opération de permutation.

"L'expertise complète de l'équipe dans l'intrication d'ingénierie, couplé à des outils de pointe pour la génération et la caractérisation d'états quantiques, a contribué au succès du protocole », ajoute Giovanni Guccione, une boursière postdoctorale Marie Curie qui est également l'un des principaux auteurs de l'étude.

Outre la création d'un lien entre des utilisateurs disparates, l'expérience est une étape clé vers la construction de réseaux évolutifs. « L'enchevêtrement est une ressource intrinsèquement fragile, sa répartition sur de plus grandes distances représente un défi de taille », note Adrien Cavaillès, stagiaire postdoctoral et auteur correspondant de l'article. "En étendant la gamme accessible de distribution, le protocole d'échange d'intrication exécuté par le groupe est une capacité cruciale pour les futurs réseaux quantiques hybrides à grande échelle. »

Les travaux rapportés dans Avancées scientifiques est une réalisation majeure vers l'interconnexion de différentes plates-formes physiques. Cependant, les chercheurs soulignent également que « même si la capacité de connecter des nœuds quantiques de nature différente est désormais à portée de main, la connexion est pour l'instant limitée aux seuls systèmes optiques, et doit être étendu à de nombreuses autres plates-formes physiques. » Un réseau quantique hétérogène entièrement fonctionnel nécessite encore des progrès significatifs dans l'ingénierie et le transfert de l'intrication entre différents systèmes de matière.

Cette démonstration s'appuie sur les avancées précédentes du groupe du Pr Laurat ces dernières années, de la première démonstration de l'intrication hybride entre les qubits de type particule et de type onde à l'ingénierie des états hybrides et leur utilisation dans les protocoles d'information quantique, soit pour la préparation de l'état à distance ou la certification de sécurité.

Les autres auteurs sont Hanna Le Jeannic, un ancien étudiant diplômé du LKB, Varun B. Verma et Sae Woo Nam, collaborateurs du NIST Boulder. Ce travail a été soutenu par le Conseil européen de la recherche, l'Agence Nationale de la Recherche (projet Hy-Light), Sorbonne Université et la Région Ile-de-France dans le cadre du DIM Sirteq.

Le titre de l'article est "Connecting Heterogeneous Quantum Networks by Hybrid Entanglement Swapping". Il est disponible le 29 mai ^e numéro en ligne de Avancées scientifiques .