Manières traditionnelles de produire des enchevêtrements, nécessaire au développement de tout «internet quantique» reliant les ordinateurs quantiques, ne sont pas très bien adaptés aux réseaux de télécommunications à fibre optique utilisés par l'internet non quantique d'aujourd'hui. Cependant, les chercheurs ont mis au point une nouvelle façon de produire de telles particules qui est beaucoup plus compatible.

Dans le réseau télécom d'aujourd'hui, connecté par câble à fibre optique, les photons transmis ont tendance à être absorbés en quelques kilomètres par le matériau qui compose le câble. Afin d'éviter la détérioration du signal, des répéteurs sont établis à intervalles réguliers pour l'amplifier.

Des problèmes similaires perturberont les efforts en faveur des communications quantiques et, en fin de compte, d'un Internet quantique. Tomoyuki Horikiri et ses collègues de l'Université nationale de Yokohama s'attaquent à ce problème en développant une nouvelle source de photons intriqués.

Leurs conclusions ont été publiées le 12 août dans Physique des communications .

Une paire de particules, ou qubits, s'emmêle lorsque l'état quantique de chacun d'eux est inéluctablement lié à l'état quantique de l'autre particule. Par conséquent, une mesure effectuée sur un qubit sera toujours corrélée à une mesure sur l'autre qubit, quelle que soit la distance.

Cet enchevêtrement, célèbre dans les explications de la science pop comme « action effrayante à distance, ' est la clé de toute infrastructure de communication quantique du futur.

Exploitant ce phénomène effrayant, les chercheurs peuvent utiliser des photons intriqués pour transférer des informations entre deux emplacements. L'émetteur a la moitié des photons intriqués et le récepteur l'autre moitié. Les deux utilisateurs, par exemple, peut établir une chaîne de bits secrète aléatoire pour le cryptage par l'intrication partagée.

Mais la communication quantique longue distance souffre également des pertes de fibre optique, avec des photons intriqués se démêlant en raison de l'interaction avec leur environnement, et répéteurs quantiques, où sont chargées les mémoires quantiques, serait nécessaire pour prolonger la distance de la communication quantique. Le répéteur stocke l'état quantique des photons envoyés par les utilisateurs. Un échange d'enchevêtrement, ' réalisée par une mesure des photons, propage efficacement l'enchevêtrement sur des distances beaucoup plus longues, comme des coureurs remettant des bâtons dans une course de relais.

Un répéteur quantique fonctionne via un échange répété d'états quantiques entre la lumière et la matière. Cela nécessite une source de particules intriquées compatible avec la mémoire quantique. Malheureusement, la mémoire quantique absorbe généralement une largeur étroite du spectre d'un faisceau lumineux (appelée largeur de raie), mais les sources traditionnelles d'une paire de photons intriqués quantiques ont un large spectre. Il en résulte un très mauvais couplage entre une paire de photons intriqués et la mémoire quantique.

Jusque là, les efforts pour développer des sources de photons intriqués ont eu du mal à répondre à toutes les exigences de compatibilité répéteur-mémoire quantique et d'application dans le monde réel :un nombre élevé de photons (pour de grandes quantités de trafic), largeur de trait étroite, et une grande fidélité d'enchevêtrement.

Depuis des décennies, le moyen le plus courant de produire des particules intriquées a été une technique appelée down-conversion paramétrique spontanée, ou SPDC. Il utilise des cristaux pour convertir des photons uniques à haute énergie en paires de photons intriqués avec la moitié de l'énergie d'origine.

"Cela a été formidable pour les expériences d'information quantique, " a déclaré Horikiri. " Mais pour les communications quantiques à large bande, Le SPDC n'est pas très compatible avec les transitions énergétiques très étroites impliquées dans la production de la mémoire quantique nécessaire aux répéteurs quantiques."

Les chercheurs ont amélioré cette technique en plaçant le cristal dans une cavité optique en forme de nœud papillon, et ont réussi à propager des photons intriqués sur dix kilomètres à travers la fibre optique, répété une fois pour une distance totale totale de 20 kilomètres.

Dans la continuité de cette preuve de concept d'une nouvelle source de photons intriqués compatibles avec la mémoire quantique et déployable via un câble à fibre optique à faibles pertes, les chercheurs souhaitent désormais déployer leur technique via plusieurs nœuds répéteurs sur des distances beaucoup plus longues.