Le consortium Quantum Internet Alliance fait partie de la première phase de financement du vaisseau amiral quantique de l'UE. Crédit :QuTech-Delft
Des chercheurs de l'Université de la Sorbonne à Paris ont réalisé un transfert très efficace de l'intrication quantique dans et hors de deux dispositifs de mémoire quantique. Cette réalisation apporte un ingrédient clé pour l'évolutivité d'un futur Internet quantique.
Un Internet quantique qui connecte plusieurs emplacements est une étape clé dans les feuilles de route de la technologie quantique dans le monde entier. Dans ce contexte, le programme phare européen Quantum a lancé la Quantum Internet Alliance en 2018. Ce consortium coordonné par Stephanie Wehner (QuTech-Delft) se compose de 12 groupes de recherche de premier plan dans des universités de huit pays européens, en étroite collaboration avec plus de 20 entreprises et instituts. Ils ont combiné leurs ressources et leurs domaines d'expertise pour développer un plan pour un futur Internet quantique et les technologies requises.
Un Internet quantique utilise un phénomène quantique intrigant pour connecter différents nœuds d'un réseau. Dans une connexion réseau normale, les nœuds échangent des informations en envoyant des électrons ou des photons dans les deux sens, les rendant vulnérables aux écoutes. Dans un réseau quantique, les nœuds sont reliés par intrication, La célèbre "action effrayante à distance" d'Einstein. Ces corrélations non classiques à de grandes distances permettraient non seulement des communications sécurisées au-delà de la transmission directe, mais également l'informatique quantique distribuée ou la détection améliorée.
Cependant, un défi majeur dans la construction de réseaux quantiques à grande échelle est la capacité de générer de telles corrélations entre des nœuds distants. En principe, ce défi peut être surmonté si l'intrication est stockée de manière fiable dans des dispositifs de mémoire quantique. En divisant la longue distance en plusieurs segments plus courts, il est possible de créer un enchevêtrement entre les extrémités de ces maillons élémentaires, puis connectez-les jusqu'à ce que les deux nœuds initiaux soient enchevêtrés. Les dispositifs de mémoire quantique stockent l'intrication, s'assurer que l'enchevêtrement a été créé sur tous les segments avant d'effectuer les connexions. Ce protocole est connu sous le nom de répéteur quantique.
Un paramètre critique est l'efficacité des dispositifs de mémoire quantique :si un dispositif échoue dans l'enregistrement ou la récupération de la lumière intriquée, le répéteur quantique ne peut pas fonctionner correctement. Par exemple, une augmentation de l'efficacité de stockage et de récupération de 60% à 90% diminue considérablement le temps moyen de distribution d'enchevêtrement sur une distance de 600 kilomètres, typiquement de deux ordres de grandeur. L'un des objectifs du consortium QIA est de jeter les bases de la technologie des répéteurs quantiques en construisant des dispositifs de mémoire hautement efficaces pour l'intrication à l'aide de différentes plates-formes physiques.
Dans le numéro en ligne d'octobre 2020 de Optique , Pr Julien Laurat et son équipe au Laboratoire Kastler Brossel (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Université PSL, Collège de France) a signalé une étape longtemps attendue pour cette entreprise. Ils ont démontré le stockage et la récupération de faisceaux lumineux intriqués dans deux dispositifs de mémoire quantique, avec une efficacité globale aussi élevée que 85%. Cette valeur constitue plus du triple par rapport aux travaux antérieurs dans le domaine.
"Cette réalisation est le résultat de 10 années de développements expérimentaux dans notre laboratoire. Elle ouvre désormais la voie à des recherches plus approfondies, car de nombreuses architectures de réseau potentielles assument une telle valeur d'efficacité pour l'évolutivité, " dit Félix Hoffet, un doctorat étudiant au LKB et l'un des principaux auteurs de l'article.
L'expérience de Paris impliquait un ensemble très allongé d'atomes de césium refroidis par laser et était basée sur le protocole appelé transparence induite électromagnétiquement. Un faisceau laser de contrôle rend le support transparent et ralentit le signal lumineux incident portant l'information. Lorsque le signal est contenu dans l'ensemble et que le faisceau de contrôle est éteint, l'information est convertie en une excitation collective des atomes, qui est stocké jusqu'à ce que les faisceaux de contrôle soient à nouveau allumés. L'équipe de Laurat a d'abord généré deux faisceaux lumineux qui sont intriqués puis les a mappés dans deux mémoires en suivant ce protocole. En utilisant des transitions atomiques spécifiques et en atteignant une très grande absorption dans chaque mémoire, les chercheurs ont pu écrire et lire l'enchevêtrement avec une efficacité sans précédent, tout en préservant une très faible pollution sonore.
Un ensemble d'atomes de césium de 3 cm de long refroidis au laser dans une chambre en verre est utilisé comme mémoire quantique. Crédit :LKB
"Notre efficacité record a d'abord nécessité un gros effort théorique pour mieux comprendre les facteurs limitants de notre mise en œuvre préalable, puis un tour de force expérimental pour combiner tous les ingrédients requis ensemble, " ajoute Mingtao Cao, un ancien boursier postdoctoral Marie Curie et l'autre auteur principal de l'article. Alexandra Chérémet, un ancien boursier Marie Curie et également auteur de l'article, a joué un rôle clé dans la simulation de l'ensemble du processus et la prise en compte de la complexité des multiples niveaux d'énergie dans ce système atomique.
Les travaux rapportés dans Optique est un tremplin pour d'autres investigations. Cependant, la voie de la construction de réseaux à grande échelle est encore pavée de défis. Par exemple, Les dispositifs de mémoire quantique efficaces doivent également avoir de longues durées de stockage afin de créer un enchevêtrement plus rapidement qu'il ne se perd. Cette fonctionnalité critique peut également s'accompagner de la possibilité de stocker différentes informations en parallèle. Le consortium QIA aborde ces différents aspects, à la fois théoriquement et expérimentalement. L'équipe du Pr Laurat à Paris se concentre par exemple sur le développement de mémoires « spatialement multiplexées » pouvant stocker plusieurs états en même temps afin de paralléliser des connexions quantiques.
