Au cours des années 90, les ingénieurs ont réalisé des avancées majeures dans le domaine des télécommunications en étendant le réseau à des distances au-delà des villes et des zones métropolitaines. Pour atteindre ce facteur d'évolutivité, ils ont utilisé des répéteurs, qui améliorait les signaux atténués et leur permettait de parcourir de plus grandes distances avec les mêmes caractéristiques telles que l'intensité ou la fidélité. Maintenant, avec l'ajout de satellites, il est tout à fait normal d'être au milieu d'une montagne en Europe et de discuter avec ses proches vivant à l'autre bout du monde.

En route vers la construction du futur Internet quantique, les mémoires quantiques jouent le même rôle. Avec les sources de qubits, ils sont les éléments constitutifs de ce nouvel Internet, agissant comme des répéteurs quantiques des opérations de données et utilisant la superposition et l'intrication comme ingrédients clés du système. Mais pour faire fonctionner un tel système à un niveau quantique, l'intrication entre les mémoires quantiques devait être créée sur de longues distances et maintenue aussi efficacement que possible.

Tous ensemble en un

Dans une étude récemment publiée dans La nature , Les scientifiques de l'ICFO Dario Lago, Samuele Grandi, Alessandro Seri et Jelena Rakonjac, dirigé par ICREA Prof à ICFO, Hugues de Riedmatten, ont atteint l'évolutivité, enchevêtrement matière-matière annoncé par les télécommunications entre deux télécommandes, mémoires quantiques multimodes et à semi-conducteurs. En termes plus simples, ils ont pu stocker, pendant un maximum de 25 microsecondes, un seul photon dans deux mémoires quantiques placées à 10 mètres l'une de l'autre.

Les chercheurs savaient que le photon était dans l'une des deux mémoires, mais ils ne savaient pas dans lequel, qui mettait l'accent sur cette notion contre-intuitive que nous avons de la nature, qui permet au photon d'être dans un état de superposition quantique dans les deux mémoires quantiques en même temps mais, étonnamment, 10 mètres l'un de l'autre. L'équipe savait aussi que l'intrication s'était créée avec la détection d'un photon à la longueur d'onde télécom, et il était stocké dans les mémoires quantiques de manière multiplexée, "une fonctionnalité qui s'apparente à permettre l'envoi de plusieurs messages en même temps dans un canal classique." Ces deux caractéristiques clés ont été réalisées ensemble pour la première fois et définissent le tremplin pour étendre ce programme à des distances beaucoup plus longues.

Comme Dario Lago, un doctorat étudiant à ICFO et premier auteur de l'étude, relève avec enthousiasme « Jusqu'à présent, plusieurs des jalons atteints dans cette expérience ont été réalisés par d'autres groupes, comme enchevêtrer des mémoires quantiques ou réaliser le stockage des photons dans des mémoires quantiques avec une très grande efficacité et des cadences élevées. Mais, le caractère unique de cette expérience est que nos techniques ont atteint des taux très élevés et peuvent être étendues à de plus longues distances."

Mise en place de l'expérimentation

Atteindre ce point de repère a demandé des efforts et du temps. Pendant plusieurs mois, l'équipe a mis en place l'expérience, où ils ont utilisé un cristal dopé aux terres rares comme mémoire quantique pour la base de leur test.

Puis, ils ont pris deux sources générant des paires corrélées de photons uniques. Dans chaque paire, un photon, nommé oisif, est à 1436 nm (longueur d'onde télécom), et l'autre, signal nommé, est à une longueur d'onde de 606 nm. Les photons à signal unique, ont été envoyés dans une mémoire quantique, composé de millions d'atomes tous placés au hasard à l'intérieur d'un cristal, et y sont stockées via un protocole appelé peigne de fréquence atomique. Aux côtés de, les photons oisifs, également appelés photons annonciateurs ou messagers, ont été envoyés à travers une fibre optique vers un dispositif appelé séparateur de faisceau, où les informations sur leur origine et leur chemin ont été complètement effacées. Samuele Grandi, chercheur postdoctoral et co-premier auteur de l'étude, commentaires, "Nous avons effacé toute sorte de caractéristique qui nous dirait d'où venaient les photons inactifs, que ce soit la source 1 ou 2, et nous l'avons fait parce que nous ne voulions pas connaître d'informations sur le photon de signal et dans quelle mémoire quantique il était stocké." En effaçant ces caractéristiques, le photon signal aurait pu être stocké dans n'importe laquelle des mémoires quantiques, ce qui signifie qu'un enchevêtrement s'est créé entre eux.

Chaque fois que les scientifiques voyaient sur le moniteur un clic d'un photon libre arrivant au détecteur, ils ont pu confirmer et vérifier qu'il y avait, En réalité, enchevêtrement. Cet intrication consistait en un photon signal dans un état de superposition entre les deux mémoires quantiques, où il était stocké sous forme d'excitation partagée par des dizaines de millions d'atomes pendant jusqu'à 25 microsecondes.

Comme Sam et Dario le mentionnent, "Ce qui est curieux dans l'expérience, c'est qu'il n'est pas possible de savoir si le photon a été stocké dans la mémoire quantique du labo 1 ou du labo 2, qui était à plus de 10 mètres. Bien que ce soit la caractéristique principale de notre expérience, et un que nous attendions en quelque sorte, les résultats en laboratoire étaient encore contre-intuitifs, et encore plus étrange et époustouflant pour nous, c'est que nous étions capables de le contrôler !"

L'importance des photons annoncés

La plupart des études précédentes qui ont expérimenté l'intrication et les mémoires quantiques ont utilisé des photons de héraut pour savoir si l'intrication entre les mémoires quantiques avait réussi ou non. Un photon annonciateur est comme une colombe messagère et les scientifiques peuvent savoir à son arrivée que l'intrication entre les mémoires quantiques a été établie. Quand cela arrive, les tentatives d'intrication s'arrêtent et l'intrication est stockée dans les mémoires avant d'être analysée.

Dans cette expérience, les scientifiques ont utilisé un photon annonciateur dans la fréquence des télécommunications, confirmant que l'intrication produite pourrait être établie avec un photon compatible avec les réseaux télécoms existants, une prouesse importante puisqu'elle permet de créer des enchevêtrements sur de longues distances et, encore plus alors, permet d'intégrer facilement ces technologies quantiques dans les infrastructures de réseaux classiques existantes.

Le multiplexage est la clé

Le multiplexage est la capacité d'un système à envoyer plusieurs messages en même temps via un seul canal de transmission. Dans les télécommunications classiques, il s'agit d'un outil fréquemment utilisé pour transmettre des données sur Internet. Dans les répéteurs quantiques, cette technique est légèrement plus complexe. Avec des mémoires quantiques standards, il faut attendre que le message annonçant l'enchevêtrement revienne dans les mémoires, avant de pouvoir essayer à nouveau de créer un enchevêtrement. Mais avec l'utilisation du protocole de peigne de fréquence atomique, qui permet cette approche de multiplexage, les chercheurs ont pu stocker les photons intriqués à de nombreux moments différents dans la mémoire quantique, sans avoir à attendre un événement annonciateur réussi avant de générer la prochaine paire intriquée. Cette condition, appelé « multiplexage temporel, " est une caractéristique clé qui représente une augmentation importante du temps de fonctionnement du système, entraînant une augmentation du taux d'enchevêtrement final.

Étapes futures

Comme le dit avec enthousiasme le professeur ICREA de l'ICFO Hugues de Riedmatten, "Cette idée a été conçue il y a plus de 10 ans et je suis ravi de voir qu'elle a maintenant réussi dans le laboratoire. Les prochaines étapes consistent à amener l'expérience en dehors du laboratoire, essayer de relier différents nœuds entre eux et répartir l'enchevêtrement sur des distances beaucoup plus grandes, au-delà de ce que nous avons actuellement. En réalité, nous sommes en train de réaliser le premier lien quantique de 35km, qui se fera entre Barcelone et ICFO, à Castelldefels."

Il est clair que le futur réseau quantique apportera de nombreuses applications dans un futur proche. Ce jalon atteint prouve et confirme que nous sommes sur la bonne voie pour développer ces technologies de rupture et commencer à les déployer dans ce qui sera une nouvelle façon de communiquer, l'Internet quantique.