Crypter les données de manière à garantir une communication sécurisée est un défi sans cesse croissant, car les composants essentiels des systèmes de cryptage actuels ne peuvent pas résister aux futurs ordinateurs quantiques. Des chercheurs du monde entier travaillent donc sur des technologies pour de nouvelles méthodes de cryptage qui sont également basées sur des effets quantiques. Le phénomène dit d'intrication quantique joue ici un rôle particulièrement important. Cela signifie que dans un réseau quantique, les qubits stationnaires du réseau sont intriqués avec le canal de communication, qui se compose généralement de photons (particules lumineuses). Pour la première fois, les physiciens de l'Université de Bonn ont maintenant pu démontrer l'intrication quantique entre un qubit stationnaire, c'est-à-dire un système quantique à deux états, et un photon avec couplage direct à une fibre optique. L'étude a été publiée dans la revue Informations quantiques npj .

Les systèmes quantiques proviennent du monde des particules et des plus petites structures et peuvent être pertinents pour les technologies futures. Si différents supports d'informations quantiques (nœuds quantiques) sont interconnectés par des canaux quantiques, les chercheurs parlent de réseaux quantiques. Depuis 2009, des scientifiques de l'Université de Bonn ont travaillé sur la réalisation d'un nœud de réseau quantique dans lequel un seul ion en tant que qubit mémoire est couplé à un résonateur optique en tant qu'interface lumière-matière.

Cependant, pour la diffusion d'informations quantiques dans un réseau, les qubits stationnaires du réseau doivent être intriqués avec le canal de communication. La raison physique est qu'un état quantique ne peut pas être copié et transmis de manière classique. Les photons sont généralement utilisés comme canal de communication, qui sont difficiles à stocker mais permettent un transfert rapide des informations. « La mise en place d'interfaces efficaces entre photons et qubits stationnaires est donc cruciale pour le taux de transfert d'informations et l'évolutivité d'un réseau quantique, " explique le premier auteur Pascal Kobel, un doctorat étudiant dans le groupe de recherche de physique quantique expérimentale à l'Université de Bonn.

Implémentation d'une interface lumière-matière

Dans leur configuration expérimentale, les scientifiques ont mis en place une interface spéciale entre la lumière et la matière. À cette fin, ils ont utilisé un résonateur optique constitué de deux miroirs opposés réalisés sur les facettes d'extrémité de deux fibres optiques. Pour les miroirs concaves, ils ont fait l'ablation d'une partie de la fibre optique avec une impulsion laser et ont ensuite recouvert les extrémités de la fibre optique d'un revêtement réfléchissant. Le diamètre de fibre de 150 micromètres était approximativement de l'ordre d'un cheveu (environ 60 micromètres).

"La construction et la combinaison d'un tel résonateur avec un seul ion est un défi expérimental. Les fibres et les ions doivent être placés avec une précision relative d'environ un micromètre les uns par rapport aux autres, " dit le co-auteur Moritz Breyer, également physicien dans le groupe de recherche dirigé par le Prof. Dr. Michael Köhl à l'Université de Bonn. Cependant, le petit volume du résonateur augmente l'interaction lumière-matière, qui permet des bandes passantes élevées pour la distribution d'informations quantiques dans un réseau. Un autre avantage est que le résonateur à fibre conduit à un couplage dit intrinsèque des photons aux fibres optiques. Cela simplifie grandement leur diffusion dans un réseau.

Avec leur dispositif expérimental, les scientifiques ont réussi pour la première fois à démontrer l'intrication quantique entre un qubit stationnaire et un photon à partir d'un résonateur à fibre optique. Ils ont observé que même à une distance d'un mètre et demi, l'ion unique et le photon partageaient un état quantique intriqué commun. "Notre système présenté est bien adapté en tant que nœud dans les réseaux quantiques, " souligne le directeur de l'étude, le professeur Dr. Michael Köhl, membre du pôle d'excellence Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) des universités de Bonn, Cologne et Aix-la-Chapelle et Forschungszentrum Jülich et dans le domaine de recherche transdisciplinaire « Blocs de construction de la matière et interactions fondamentales ». Le réseau rassemble des chercheurs de différentes disciplines pour travailler conjointement sur des questions d'actualité à l'Université d'excellence de Bonn.

Les résultats de l'étude peuvent être pertinents pour ce que l'on appelle l'informatique quantique distribuée ou la communication dont la sécurité est prouvée. Dans les études futures, les chercheurs prévoient de développer davantage leur système en, par exemple, améliorer la stabilité de l'interface lumière-matière et utiliser la configuration pour la distribution des clés quantiques.