Ordinateurs, smartphones, GPS :la physique quantique a permis de nombreuses avancées technologiques. Elle ouvre aujourd'hui de nouveaux champs de recherche en cryptographie (l'art de chiffrer les messages) dans le but de développer des réseaux de télécommunications ultra-sécurisés. Il y a cependant un obstacle :après quelques centaines de kilomètres dans une fibre optique, les photons qui transportent les qubits ou "bits quantiques" (l'information) disparaissent. Ils ont donc besoin de "répéteurs", sorte de "relais", qui reposent en partie sur une mémoire quantique. En parvenant à stocker un qubit dans un cristal (une "mémoire") pendant 20 millisecondes, une équipe de l'Université de Genève (UNIGE) a établi un record mondial et franchi une étape majeure vers le développement des réseaux de télécommunications quantiques longue distance. Cette recherche peut être trouvée dans la revue npj Quantum Information .

Développée au cours du XXe siècle, la physique quantique a permis aux scientifiques de décrire le comportement des atomes et des particules ainsi que certaines propriétés du rayonnement électromagnétique. En rompant avec la physique classique, ces théories ont engendré une véritable révolution et introduit des notions sans équivalent dans le monde macroscopique comme la superposition, qui décrit la possibilité pour une particule de se trouver à plusieurs endroits à la fois, ou l'intrication, qui décrit la capacité de deux particules s'affecter instantanément même à distance ("action effrayante à distance").

Les théories quantiques sont aujourd'hui au cœur de nombreuses recherches en cryptographie, discipline qui regroupe les techniques d'encodage d'un message. Les théories quantiques permettent de garantir une parfaite authenticité et confidentialité à une information (un qubit) lorsqu'elle est transmise entre deux interlocuteurs par une particule de lumière (un photon) au sein d'une fibre optique. Le phénomène de superposition permet à l'expéditeur de savoir immédiatement si le photon véhiculant le message a été intercepté.

Mémoriser le signal

Cependant, il existe un obstacle majeur au développement des systèmes de télécommunications quantiques longue distance :au-delà de quelques centaines de kilomètres, les photons sont perdus et le signal disparaît. Le signal ne pouvant être ni copié ni amplifié - il perdrait l'état quantique qui garantit sa confidentialité - l'enjeu est de trouver le moyen de le répéter sans l'altérer en créant des "répéteurs" basés notamment sur une mémoire quantique.

En 2015, l'équipe de Mikael Afzelius, maître de conférences au Département de physique appliquée de la Faculté des sciences de l'Université de Genève (UNIGE), a réussi à stocker un qubit porté par un photon pendant 0,5 milliseconde dans un cristal (un "Mémoire"). Ce processus a permis au photon de transférer son état quantique aux atomes du cristal avant de disparaître. Cependant, le phénomène n'a pas duré assez longtemps pour permettre la construction d'un plus grand réseau de mémoires, condition préalable au développement des télécommunications quantiques longue distance.

Enregistrement de stockage

Aujourd'hui, dans le cadre du programme européen Quantum Flagship, l'équipe de Mikael Afzelius est parvenue à augmenter significativement cette durée en stockant un qubit pendant 20 millisecondes. "C'est un record mondial pour une mémoire quantique basée sur un système à l'état solide, en l'occurrence un cristal. Nous avons même réussi à atteindre la barre des 100 millisecondes avec une petite perte de fidélité", s'enthousiasme le chercheur. Comme dans leurs travaux précédents, les scientifiques de l'UNIGE ont utilisé des cristaux dopés avec certains métaux appelés "terres rares" (l'europium en l'occurrence), capables d'absorber la lumière puis de la réémettre. Ces cristaux ont été maintenus à -273,15°C (zéro absolu), car au-delà de 10°C au-dessus de cette température, l'agitation thermique du cristal détruit l'enchevêtrement des atomes.

"Nous avons appliqué un petit champ magnétique d'un millième de Tesla au cristal et utilisé des méthodes de découplage dynamique, qui consistent à envoyer des fréquences radio intenses au cristal. L'effet de ces techniques est de découpler les ions de terres rares des perturbations de la et multiplier par près de 40 les performances de stockage que nous connaissions jusqu'à présent », explique Antonio Ortu, post-doctorant au Département de physique appliquée de l'UNIGE. Les résultats de ces recherches constituent une avancée majeure pour le développement des réseaux de télécommunications quantiques longue distance. Ils amènent également le stockage d'un état quantique porté par un photon à une échelle de temps qui peut être estimée par l'homme.

Un système performant en 10 ans

Cependant, il reste encore plusieurs défis à relever. « L'enjeu est désormais d'allonger davantage la durée de stockage. En théorie, il suffirait d'augmenter la durée d'exposition du cristal aux radiofréquences, mais pour l'instant, des obstacles techniques à leur mise en œuvre sur une durée plus longue empêchent nous empêche d'aller au-delà des 100 millisecondes. Cependant, il est certain que ces difficultés techniques peuvent être résolues », déclare Mikael Afzelius.

Les scientifiques devront également trouver des moyens de concevoir des mémoires capables de stocker plus d'un photon à la fois, et donc d'avoir des photons « intriqués » qui garantiront la confidentialité. "L'objectif est de développer un système qui soit performant sur tous ces points et qui puisse être commercialisé d'ici dix ans", conclut le chercheur. + Explorer plus loin

L'enchaînement d'atomes donne un stockage quantique