Le signal entrant (rouge, en bas à gauche) passe par un séparateur de faisceau jusqu'au détecteur de photons, qui a un registre de temps attaché (en haut à droite). Le récepteur envoie le faisceau de référence au séparateur de faisceau pour annuler l'impulsion entrante afin qu'aucune lumière ne soit détectée. Si même un photon est détecté, cela signifie que le récepteur a utilisé un faisceau de référence incorrect, qui doit être ajusté. Le récepteur utilise les heures exactes de détection des photons pour arriver au bon réglage avec moins de suppositions. La combinaison des temps de détection enregistrés et l'historique des fréquences de faisceau de référence sont utilisées pour trouver la fréquence du signal entrant. Crédit :NIST
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont conçu et démontré un système qui pourrait augmenter considérablement les performances des réseaux de communication tout en permettant des taux d'erreur record dans la détection des signaux les plus faibles, potentiellement diminuer la quantité totale d'énergie requise pour les réseaux de pointe par un facteur de 10 à 100.
Le système de preuve de principe se compose d'un nouveau récepteur et d'une technique de traitement du signal correspondante qui, contrairement aux méthodes utilisées dans les réseaux d'aujourd'hui, sont entièrement basés sur les propriétés de la physique quantique et sont ainsi capables de gérer même des signaux extrêmement faibles avec des impulsions transportant de nombreux bits de données.
"Nous avons construit le banc d'essai de communication en utilisant des composants standard pour démontrer que la communication activée par la mesure quantique peut potentiellement être étendue pour une utilisation commerciale généralisée, " a déclaré Ivan Burenkov, un physicien au Joint Quantum Institute, un partenariat de recherche entre le NIST et l'Université du Maryland. Burenkov et ses collègues rapportent les résultats dans Examen physique X Quantum . "Notre effort montre que les mesures quantiques d'autres valeurs, avantages jusque-là imprévus pour les télécommunications conduisant à des améliorations révolutionnaires de la bande passante des canaux et de l'efficacité énergétique."
Les systèmes de communication modernes fonctionnent en convertissant les informations en un flux d'impulsions lumineuses numériques généré par laser dans lequel les informations sont codées - sous la forme de modifications des propriétés des ondes lumineuses - pour être transférées, puis décodées lorsqu'elles atteignent le récepteur. Le train d'impulsions s'affaiblit au fur et à mesure qu'il se déplace le long des canaux de transmission, et la technologie électronique conventionnelle pour recevoir et décoder des données a atteint la limite de sa capacité à détecter avec précision les informations dans de tels signaux atténués.
L'impulsion du signal peut diminuer jusqu'à ce qu'elle soit aussi faible que quelques photons, voire moins d'un en moyenne. À ce moment, inévitables fluctuations quantiques aléatoires appelées « bruit de grenaille » rendent une réception précise impossible par la normale (« classique, " par opposition à la technologie quantique) car l'incertitude causée par le bruit constitue une si grande partie du signal diminué. En conséquence, les systèmes existants doivent amplifier les signaux de manière répétée le long de la ligne de transmission, à un coût énergétique considérable, en les gardant suffisamment forts pour détecter de manière fiable.
Le système de l'équipe du NIST peut éliminer le besoin d'amplificateurs car il peut traiter de manière fiable même des impulsions de signal extrêmement faibles :« L'énergie totale requise pour transmettre un bit devient un facteur fondamental entravant le développement des réseaux, " a déclaré Sergueï Polyakov, scientifique senior de l'équipe NIST. "Le but est de réduire la somme d'énergie requise par les lasers, amplificateurs, détecteurs, et des équipements de soutien pour transmettre de manière fiable des informations sur de plus longues distances. Dans notre travail ici, nous avons démontré qu'avec l'aide de la mesure quantique, même de faibles impulsions laser peuvent être utilisées pour communiquer plusieurs bits d'information, une étape nécessaire vers cet objectif. »
Pour augmenter la vitesse à laquelle les informations peuvent être transmises, les chercheurs du réseau trouvent des moyens d'encoder plus d'informations par impulsion en utilisant des propriétés supplémentaires de l'onde lumineuse. Donc une seule impulsion de lumière laser, selon la façon dont il a été préparé à l'origine pour la transmission, peut transporter plusieurs bits de données. Pour améliorer la précision de détection, des récepteurs améliorés quantiques peuvent être installés sur des systèmes de réseau classiques. À ce jour, ces combinaisons hybrides peuvent traiter jusqu'à deux bits par impulsion. Le système quantique du NIST utilise jusqu'à 16 impulsions laser distinctes pour coder jusqu'à quatre bits.
Pour démontrer cette capacité, les chercheurs du NIST ont créé une entrée d'impulsions laser faibles comparables à un signal de réseau conventionnel sensiblement atténué, avec le nombre moyen de photons par impulsion de 0,5 à 20 (bien que les photons soient des particules entières, un nombre inférieur à un signifie simplement que certaines impulsions ne contiennent pas de photons).
Après avoir préparé ce signal d'entrée, les chercheurs du NIST profitent de ses propriétés ondulatoires, comme les interférences, jusqu'à ce qu'il atteigne finalement le détecteur sous forme de photons (particules). Dans le domaine de la physique quantique, la lumière peut agir soit comme des particules (photons) soit comme des ondes, avec des propriétés telles que la fréquence et la phase (les positions relatives des pics d'onde).
A l'intérieur du récepteur, le train d'impulsions du signal d'entrée se combine (interfère) avec un autre, faisceau laser de référence réglable, qui contrôle la fréquence et la phase du flux lumineux combiné. Il est extrêmement difficile de lire les différents états codés dans un signal aussi faible. Ainsi, le système NIST est conçu pour mesurer les propriétés de l'ensemble de l'impulsion de signal en essayant de faire correspondre exactement les propriétés du laser de référence. Les chercheurs y parviennent par une série de mesures successives du signal, dont chacun augmente la probabilité d'une correspondance exacte.
Cela se fait en ajustant la fréquence et la phase de l'impulsion de référence de sorte qu'elle interfère de manière destructive avec le signal lorsqu'elles sont combinées au niveau du séparateur de faisceau, annuler complètement le signal afin qu'aucun photon ne puisse être détecté. Dans ce schéma, le bruit de tir n'est pas un facteur :l'annulation totale n'a aucune incertitude.
Ainsi, contre-intuitivement, une mesure parfaitement précise fait qu'aucun photon n'atteint le détecteur. Si l'impulsion de référence a la mauvaise fréquence, un photon peut atteindre le détecteur. Le récepteur utilise le temps de détection de ce photon pour prédire la fréquence de signal la plus probable et ajuste la fréquence de l'impulsion de référence en conséquence. Si cette prédiction est toujours incorrecte, le temps de détection du photon suivant donne une prédiction plus précise basée sur les deux temps de détection des photons, etc.
"Une fois que le signal interagit avec le faisceau de référence, la probabilité de détecter un photon varie dans le temps, " Burenkov a dit, "et par conséquent, les temps de détection de photons contiennent des informations sur l'état d'entrée. Nous utilisons ces informations pour maximiser les chances de deviner correctement après la toute première détection de photons.
"Notre protocole de communication est conçu pour donner différents profils temporels pour différentes combinaisons du signal et de la lumière de référence. Ensuite, le temps de détection peut être utilisé pour distinguer les états d'entrée avec une certaine certitude. La certitude peut être assez faible au début, mais il est amélioré tout au long de la mesure. Nous voulons faire passer l'impulsion de référence au bon état après la toute première détection de photons car le signal ne contient que quelques photons, et plus nous mesurons le signal avec la bonne référence, meilleure est notre confiance dans le résultat."
Polyakov a discuté des applications possibles. « La future croissance exponentielle d'Internet nécessitera un changement de paradigme dans la technologie derrière les communications, " dit-il. " La mesure quantique pourrait devenir cette nouvelle technologie. Nous avons démontré des taux d'erreur record avec un nouveau récepteur quantique associé au protocole de codage optimal. Notre approche pourrait réduire considérablement l'énergie pour les télécommunications."
