Des chercheurs de l'Institut Leibniz of Photonic Technology (Leibniz IPHT) de Jena, en Allemagne, avec des collaborateurs internationaux, ont développé deux méthodes complémentaires qui pourraient faire de la communication quantique via la fibre optique pratique en dehors du laboratoire.
Une approche augmente considérablement la quantité d'informations qui peuvent être codées dans un seul photon; L'autre améliore la stabilité du signal quantique sur de longues distances. Les deux méthodes reposent sur des composants de télécommunications standard – offrant un chemin réaliste pour sécuriser la transmission des données via des réseaux de fibres existants.
Des hôpitaux aux agences gouvernementales et aux installations industrielles – où les données sensibles doivent être maintenues en sécurité – la communication sur le quant pourrait un jour jouer un rôle clé. Au lieu de transmettre des signaux électriques, cette technologie utilise des particules de lumière individuelles – les photos – codées dans des états quantiques délicats. L'un de ses principaux avantages: toute tentative d'interception ou d'altération du signal perturbe l'état quantique, ce qui fait que l'écoute non seulement détectable mais intrinsèquement limitée.
Mais sortir de la communication quantique du laboratoire et dans le monde réel pose toujours de sérieux défis techniques. Une équipe de chercheurs en Allemagne et au Canada a abordé deux des plus grandes questions: comment chaque photon peut-il transporter plus d'informations? Et comment les signaux peuvent-ils rester stables sur de longues distances, malgré les distorsions introduites par la transmission de la fibre optique?
Leurs réponses sont présentées dans deux études récentes publiées dans Communications de la nature et Lettres d'examen physique. L'équipe démontre une nouvelle plate-forme photonique qui augmente considérablement la densité d'informations par photon, et une deuxième technique qui préserve la fidélité de signaler plus de centaines de kilomètres de fibres, tous deux en utilisant des composants déjà déployés dans les réseaux de télécommunications d'aujourd'hui.
Photons en tant que porteurs de données: codage d'informations dans les poubelles
Une innovation centrale réside dans le soi-disant «codage du bac à temps». Dans cette méthode, les informations sont transportées par l'heure d'arrivée précise de chaque photon – essentiellement, sur laquelle de plusieurs petites fenêtres de temps dans lesquelles il tombe. Les systèmes traditionnels ne distinguent que deux de ces poubelles. La nouvelle plateforme, développée conjointement par des chercheurs de l'Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) au Canada et Leibniz-IPHT, pousse ce nombre à huit, permettant une augmentation spectaculaire du débit de données.
« C'est comme un système de tiroir », explique le professeur Mario Chemnitz de Leibniz-IPHT et Friedrich Schiller University à Jena. « Au lieu d'un seul tiroir, nous pouvons maintenant en ouvrir plusieurs à la fois – chacun portant son propre morceau du message. »
La plate-forme décrite dans Communications de la nature s'appuie sur une puce photonique conçue sur mesure construite avec du nitrure de silicium – un matériau idéal pour guider la lumière à une petite échelle. Il intègre des interféromètres miniatures capables de générer et de traiter les photons enchevêtrés, tout en utilisant des composants de télécommunications standard.
Dans les tests de laboratoire, le système a transmis avec succès des informations quantiques sur 60 kilomètres de fibre optique – la distance typique entre deux nœuds de réseau. Cela signifie que davantage d'utilisateurs pourraient partager des canaux quantiques sécurisés avec des débits de données élevés sur les réseaux de fibres existants.
Liens quantiques robustes sur de longues distances
Un deuxième défi consistait à maintenir la qualité du signal sur de longues distances. Un problème clé est la dispersion – un effet physique qui étire des impulsions légères dans le temps, brouillant les distinctions précises du bac à temps. Dans l'étude publiée dans Lettres d'examen physiquel'équipe a montré comment contrer cela.
Plutôt que d'analyser les photons individuellement, ils ont suivi l'heure d'arrivée articulaire des paires de photons, en utilisant une technique appelée «corrélation de fréquence de somme». Ce paramètre reste stable même sous une forte dispersion et, pour la première fois, a été exploité pour une communication pratique.
En conséquence, l'équipe a prolongé la portée d'un lien quantique sécurisé à l'équivalent de 200 kilomètres de fibres, tout en améliorant à la fois la qualité du signal et la robustesse contre la falsification.
« Avec la première étude, nous montrons comment emballer plus d'informations dans chaque photon », explique Chemnitz. « Avec la seconde, nous montrons comment nous assurer que les informations passent de manière fiable, même dans des réseaux réels. Les deux approches se complètent. »
De la recherche fondamentale aux applications du monde réel
Les deux avancées font partie d'un effort plus important pour déplacer la communication quantique du domaine de la théorie et des expériences de laboratoire dans une utilisation pratique. « Notre objectif est de rendre la communication quantique viable avec les systèmes qui s'intègrent à l'infrastructure de télécommunications d'aujourd'hui », explique Chemnitz. « Nous combleons l'écart entre la recherche fondamentale et l'application. »
À Leibniz-IPHT, Chemnitz dirige le groupe de recherche junior « Smart Photonics », qui explore l'intersection de l'optique non linéaire, de l'apprentissage automatique et du traitement des données neuromorphes – inspirée par le fonctionnement du cerveau humain. Son objectif à long terme: non seulement transmettre des informations avec la lumière, mais pour l'analyser et l'interpréter directement dans des systèmes optiques, pour des applications allant des diagnostics ultra-rapides à l'informatique optique économe en énergie.
