Même si la communication quantique est à l'épreuve des prises, il n'est pour l'instant pas particulièrement efficace. Des chercheurs de l'Institut Max Planck d'optique quantique veulent changer cela. Ils ont développé une méthode de détection qui peut être utilisée pour suivre les transmissions quantiques. L'information quantique est envoyée sur de longues distances sous forme de photons (c'est-à-dire de particules lumineuses). Cependant, ceux-ci sont vite perdus. Découvrir après seulement une distance partielle si un tel photon est toujours en route vers sa destination ou s'il a déjà été perdu, peut réduire considérablement l'effort requis pour le traitement de l'information. Cela rendrait des applications telles que le cryptage des transferts d'argent beaucoup plus pratiques.

La cryptographie quantique pourrait bientôt devenir la méthode de choix pour sécuriser le trafic de données des agences gouvernementales ou des banques. Cependant, dans un avenir prévisible, cela ne protégera probablement pas notre trafic de messagerie des lecteurs non invités. L'échange de qubits, la plus petite unité d'information quantique, est tout simplement beaucoup trop complexe. L'un des plus gros problèmes :les particules légères qui transportent des qubits sur de longues distances et sont facilement déviées de leur chemin dans l'air ou absorbées dans les fibres de verre - et soudainement, l'information quantique est perdue. Parce que la plupart des photons sont perdus dans une transmission sur environ 100 km, il faudrait transmettre des milliers de photons pour ne transmettre directement qu'un seul qubit sur cette distance. La transmission de l'information quantique peut ainsi devenir une longue affaire, même si la lumière voyage très vite et peut couvrir la distance de Munich à Berlin (environ 600 km) en seulement deux millisecondes environ.

Le détecteur ne lit pas les informations quantiques

Une équipe autour de Dominik Niemietz et Gerhard Rempe de l'Institut Max Planck d'optique quantique a maintenant développé un protocole physique qui peut indiquer si le qubit a déjà disparu aux stations intermédiaires de la transmission quantique. "Si c'est le cas, l'émetteur peut envoyer à nouveau le qubit avec un délai nettement inférieur à celui si la perte n'est constatée qu'à l'extrémité réceptrice, " dit Dominik Niemietz, qui a développé le détecteur de qubits photoniques (comme on l'appelle dans le jargon technique) dans le cadre de sa thèse. "Il est essentiel que nous ne détruisions pas le qubit. Nous ne détectons donc que le photon qubit et ne le mesurons pas." En d'autres termes :le détecteur détecte si le photon est là ou non mais ne lit pas les informations quantiques qui y sont codées. C'est un peu comme suivre un envoi en ligne sans pouvoir voir à l'intérieur du colis. "C'est crucial car les lois de la physique quantique excluent la copie d'un qubit 1 à 1 - c'est sur quoi la cryptographie quantique est basée." Quantum post ne peut donc pas être rafraîchi à une station intermédiaire - ni par ceux qui ont installé l'émetteur et le récepteur, ni par des espions.

Deux résonateurs et un atome permettent la détection du qubit

Afin de détecter un photon porteur d'informations quantiques sans lire le message lui-même, les physiciens travaillent avec un atome qu'ils piègent dans deux résonateurs perpendiculaires. Les deux résonateurs sont constitués chacun de deux miroirs de sorte que l'atome est entouré de quatre miroirs disposés en croix. L'un des résonateurs est conçu de manière à ce que l'atome reconnaisse la présence du photon par un toucher extrêmement doux :Le résonateur est situé à l'extrémité d'une fibre optique par laquelle un photon l'atteint ou non. Quand le photon y arrive, elle se réfléchit et change l'état de l'atome. Ce qui est important ici, c'est que les informations quantiques ne soient pas affectées par cela, de la même manière que les livreurs de colis laissent des messages si les destinataires ne sont pas chez eux et reprennent le colis. Le photon influence l'état de l'atome. Dans le processus, le spin atomique est modifié, semblable à une toupie, dont la rotation est inversée de 180 degrés d'un instant à l'autre. En revanche, l'information quantique est emballée dans le plan d'oscillation — les physiciens parlent de polarisation — du photon.

Mais comment savoir si le photon était là et a changé l'état de l'atome ou non ? C'est le travail du deuxième résonateur. Si aucun photon n'arrive au détecteur à l'heure prévue, les physiciens de Garching peuvent faire briller l'atome en l'irradiant avec de la lumière laser. Ils peuvent facilement détecter la lueur via la deuxième paire de miroirs et avec un photodétecteur classique. Si un photon est réfléchi sur l'autre résonateur, changer l'état de l'atome, cela ne fonctionne pas, et l'atome reste sombre.

A partir de 14 kilomètres, le détecteur accélère la communication quantique

Les chercheurs de Max Planck ont ​​montré avec des calculs de modèles que la détection de photons transportant des qubits rend la communication quantique plus efficace. Par conséquent, le détecteur qu'ils ont utilisé pour leur expérience accélérerait la transmission de l'information quantique à une distance supérieure à 14 kilomètres. "Un détecteur de qubits photoniques peut également être utile à des distances plus courtes, " dit Pau Farrera, qui faisait partie de l'équipe de recherche. Cependant, pour que cela se produise, la détection devrait fonctionner de manière encore plus fiable que dans l'expérience actuelle. « Il ne s'agit pas d'un problème fondamental mais plutôt d'un problème technique, " explique le physicien. L'efficacité du détecteur souffre actuellement principalement parce que le résonateur ne réfléchit qu'environ un tiers des photons entrants. Ce n'est que dans le cas d'une réflexion qu'un photon laisse une trace dans l'atome. " Cependant, nous pouvons augmenter cette efficacité à près de 100 pour cent en améliorant la fabrication des résonateurs."

Un détecteur qui détecte de manière fiable un qubit photonique serait non seulement utile pour suivre les informations quantiques pendant la transmission, mais pourrait également confirmer l'arrivée du poste quantique à sa destination. Ceci est bénéfique si les informations codées dans le photon doivent être traitées ultérieurement de manière complexe, par exemple, s'il doit être transféré aux atomes intriqués. L'intrication est un phénomène de mécanique quantique qui peut être utilisé pour crypter et traiter des données. Dans ce processus, deux particules spatialement très éloignées deviennent une seule entité quantique. Les changements dans une particule entraînent donc directement des changements dans l'autre. « Créer un enchevêtrement est complexe, " dit Gerhard Rempe, Directeur à l'Institut Max Planck d'optique quantique. "Vous ne devez l'utiliser pour traiter un qubit que si vous êtes sûr que ce qubit est là."

Démontrer comment le post-tracking quantique pourrait être utilisé dans le traitement de l'information est un objectif possible des futures expériences dans le groupe de Gerhard Rempe :"Nous aimerions utiliser le détecteur pour la communication quantique entre notre institut de Garching et un endroit plus éloigné. Par exemple, faire le pas de notre laboratoire à l'application pratique, " dit le directeur Max Planck. " De cette façon, nous nous rapprochons encore un peu de notre grand objectif à long terme, l'internet quantique."