La première révolution quantique a apporté l'électronique à semi-conducteurs, le laser et enfin internet. L'arrivée, la deuxième révolution quantique promet une communication à l'épreuve des espions, des capteurs quantiques et des ordinateurs quantiques extrêmement précis pour des tâches informatiques auparavant insolubles. Mais cette révolution n'en est qu'à ses balbutiements. Un objet de recherche central est l'interface entre les dispositifs quantiques locaux et les quanta de lumière qui permettent la transmission à distance d'informations quantiques hautement sensibles. Le groupe Otto-Hahn "Réseaux quantiques" de l'Institut Max-Planck d'optique quantique de Garching étudie un tel "modem quantique". L'équipe a maintenant réalisé une première percée dans une technologie relativement simple mais très efficace qui peut être intégrée dans les réseaux de fibre optique existants. L'ouvrage est publié cette semaine dans Examen physique X .

La pandémie de Corona rappelle quotidiennement à quel point Internet est devenu important. Le World Wide Web, autrefois un sous-produit de la recherche physique fondamentale, a radicalement changé notre culture. Un Internet quantique pourrait-il devenir la prochaine innovation majeure de la physique ?

Il est encore trop tôt pour répondre à cette question, mais la recherche fondamentale travaille déjà sur l'internet quantique. De nombreuses applications seront plus spécialisées et moins sensuelles que la visioconférence, mais l'importance d'une communication longue distance absolument à l'épreuve des espions est compréhensible pour tout le monde. "À l'avenir, un internet quantique pourrait être utilisé pour connecter des ordinateurs quantiques situés à différents endroits, " Andreas Reiserer dit, "ce qui augmenterait considérablement leur puissance de calcul !" Le physicien dirige le groupe de recherche indépendant Otto-Hahn "Réseaux quantiques" à l'Institut Max-Planck d'optique quantique à Garching.

Un Internet quantique concerne donc essentiellement la mise en réseau mondiale de nouvelles technologies qui font un usage beaucoup plus conséquent que jamais de la physique quantique. Cependant, cela nécessite des interfaces adaptées pour les informations quantiques extrêmement sensibles. C'est un énorme défi technique, c'est pourquoi de telles interfaces sont au cœur de la recherche fondamentale. Ils doivent s'assurer que les bits quantiques stationnaires (en abrégé qubits) interagissent efficacement avec les qubits « volants » pour les communications longue distance sans détruire les informations quantiques. Les qubits stationnaires seront situés dans les appareils locaux, par exemple en tant que mémoire ou processeur d'un ordinateur quantique. Les qubits volants sont généralement des quanta légers, photons, qui transportent l'information quantique dans l'air, un vide spatial ou à travers des réseaux de fibres optiques.

Connexion délicate entre les bits quantiques

Le "modem quantique" est conçu pour établir efficacement une connexion entre les qubits volants et stationnaires. Dans ce but, l'équipe autour du doctorant Benjamin Merkel a développé une nouvelle technologie et vient de démontrer sa fonctionnalité de base. Son avantage décisif est de pouvoir s'intégrer dans le réseau de télécommunications en fibre optique existant. Ce serait le moyen le plus rapide de faire progresser un réseau longue distance fonctionnel des technologies quantiques.

Pour que ce système fonctionne, les photons envoyés ou reçus par le modem en tant que supports d'informations quantiques doivent être adaptés précisément à la longueur d'onde infrarouge de la lumière laser utilisée pour les télécommunications. Cela signifie que le modem doit avoir des qubits au repos qui peuvent réagir précisément à ces photons infrarouges avec un saut quantique. Ce n'est qu'ainsi que les informations quantiques sensibles peuvent être transmises directement entre les qubits au repos et les qubits volants.

Des recherches approfondies menées par le groupe basé à Garching ont montré que l'élément erbium est le mieux adapté à cette fin. Ses électrons peuvent effectuer un saut quantique parfaitement assorti. Malheureusement, les atomes d'erbium sont très réticents à faire ce saut quantique. Par conséquent, ils doivent être fixés dans un environnement qui les oblige à réagir plus rapidement. Pour résoudre ce problème, les atomes d'erbium et les photons infrarouges sont enfermés dans un espace adapté le plus longtemps possible. "Vous pouvez le considérer comme une fête, qui devrait stimuler la meilleure communication possible entre, Disons, dix invités, " explique Reiserer. La taille de l'espace est cruciale ici. " Dans un stade de football, les invités se perdraient, une cabine téléphonique serait à son tour trop petite, " poursuit le physicien, "mais un salon ferait très bien l'affaire."

La fête, cependant, serait vite terminé car les photons voyagent à la vitesse de la lumière et sont donc très volatils et toujours tentés de partir. C'est pourquoi le modem quantique de Garching utilise une petite armoire à glace comme « salon ». l'équipe a emballé les atomes dans un cristal transparent fait d'un composé de silicate d'yttrium, qui est cinq fois plus fin qu'un cheveu humain. Ce cristal, à son tour, est placé comme un sandwich étalé entre deux miroirs presque parfaits. Pour éliminer le vacillement thermique des atomes, qui est destructeur pour l'information quantique, l'ensemble est refroidi à moins 271 °C.

Ping-pong photonique dans l'armoire à glace

Les photons piégés entre les miroirs sont réfléchis d'avant en arrière à travers le cristal comme des balles de ping-pong. Ils passent les atomes d'erbium si souvent que les atomes ont suffisamment de temps pour réagir avec un saut quantique. Par rapport à une situation sans armoire de toilette, cela se produit beaucoup plus efficacement et presque soixante fois plus rapidement. Depuis les miroirs, malgré leur perfection, sont également légèrement perméables aux photons, le modem peut se connecter au réseau.

« Nous sommes très heureux de ce succès, " dit Reiserer. Comme prochaine étape, il veut améliorer l'expérience de telle sorte que les atomes d'erbium individuels puissent être traités comme des qubits via la lumière laser. Ce n'est pas seulement une étape importante vers un modem quantique utilisable. Les atomes d'erbium en tant que qubits dans un cristal peuvent même servir directement de processeur quantique, qui est la partie centrale d'un ordinateur quantique. Cela rendrait le modem facilement compatible avec de tels terminaux quantiques.

Avec une solution aussi élégante, Des "répéteurs quantiques" relativement simples deviendraient également possibles. Tous les cent kilomètres, les dispositifs devraient compenser les pertes croissantes d'informations quantiques véhiculées par les photons dans le réseau de fibre optique. De tels "répéteurs quantiques" sont également au centre de la recherche internationale. "Bien qu'un tel appareil basé sur notre technologie coûterait une centaine de milliers d'euros, une utilisation généralisée ne serait pas irréaliste, " dit Reiserer.

Le modem quantique de Garching est encore une recherche purement fondamentale. Mais il a le potentiel de faire avancer la réalisation technique d'un Internet quantique.