Illustration d'un peigne de fréquence nucléaire affichant des photons uniques visualisés sur une échelle logarithmique allant des couleurs sombres aux couleurs vives, les couleurs plus vives indiquant les moments où les photons stockés ont une plus grande probabilité d'être récupérés. Ces moments se produisent plus près les uns des autres pour des espacements d'énergie plus élevés et sont plus étalés dans le temps pour des espacements d'énergie plus faibles. Crédit : DESY/Sven Velten
Des chercheurs ont développé une mémoire quantique révolutionnaire pour les rayons X, permettant des temps de mémoire prolongés et ouvrant la voie à des applications avancées d'optique quantique, notamment photon intrication aux énergies des rayons X.
La lumière est un vecteur d'information exceptionnel, jouant un rôle crucial non seulement dans les technologies de communication traditionnelles, mais aussi dans les applications quantiques émergentes telles que les réseaux et l'informatique quantiques. Cependant, le traitement des signaux lumineux est nettement plus complexe que la gestion des signaux électroniques standard.
Une équipe internationale de chercheurs, dont le Dr Olga Kocharovskaya, professeure distinguée au Département de physique et d'astronomie de l'Université Texas A&M, a démontré une nouvelle façon de stocker et de libérer des impulsions de rayons X au niveau d'un seul photon – un concept proposé pour la première fois dans des travaux théoriques antérieurs du groupe de Kocharovskaya – qui pourrait s'appliquer aux futures technologies quantiques à rayons X.
Les travaux de l'équipe, dirigés par le professeur de l'Institut Helmholtz d'Iéna, le Dr Ralf Röhlsberger, et réalisés à l'aide des sources synchrotron PETRA III du synchrotron électronique allemand (DÉSY) à Hambourg et l'European Synchrotron Radiation Facility en France, ont permis la première réalisation de la mémoire quantique dans la gamme des rayons X durs. Leurs résultats sont publiés dans la revue Progrès scientifiques.
La fonction et les défis de la mémoire quantique
« La mémoire quantique est un élément indispensable du réseau quantique, car elle permet de stocker et de récupérer des informations quantiques », explique Kocharovskaya, membre du Texas A&M Institute for Quantum Science and Engineering. « Les photons sont des vecteurs rapides et robustes d’informations quantiques, mais il est difficile de les maintenir stationnaires au cas où ces informations seraient nécessaires ultérieurement. Une façon pratique de le faire est d’imprimer ces informations dans un milieu quasi stationnaire sous la forme d’une onde de polarisation ou de spin avec un temps de cohérence long et de les restituer via la réémission des photons d’origine. »
Selon Kocharovskaya, plusieurs protocoles de mémoire quantique ont été mis au point, mais ils se limitent aux photons optiques et aux ensembles atomiques. L'utilisation d'ensembles nucléaires plutôt qu'atomiques, ajoute-t-elle, permet d'obtenir des temps de mémoire beaucoup plus longs, même à des densités de solides élevées et à température ambiante. Ces temps de mémoire plus longs sont le résultat direct de la moindre sensibilité des transitions nucléaires aux perturbations par des champs externes, grâce à la petite taille des noyaux. En combinaison avec une focalisation étroite des photons à haute fréquence, de telles approches pourraient conduire au développement de mémoires quantiques à semi-conducteurs compactes à large bande et à longue durée de vie.
Dr Olga Kocharovskaya (au centre), recevant son prix Herbert Walther 2024 récompensant la recherche pionnière et le leadership en optique quantique et en physique atomique des mains du président de la Société allemande de physique (DPG), Jochim Ullrich (à gauche) et du président d'Optica, Gerd Leuchs (à droite), lors de la réunion de la DPG à Fribourg, en Allemagne, en mars dernier. Crédit : DPG/Daab 2024
Développement d'un nouveau protocole rayons X/nucléaire
« L’extension directe des protocoles optique/atomique aux protocoles X/nucléaire s’avère difficile, voire impossible », explique le Dr Xiwen Zhang, chercheur postdoctoral du groupe de Kocharovskaya qui a participé à l’expérience et co-auteur de l’article de l’équipe. « C’est pourquoi un nouveau protocole a été suggéré dans nos travaux antérieurs. »
Selon Zhang, l'idée à la base du nouveau protocole de l'équipe est très simple, du moins en termes de principes quantiques fondamentaux. Essentiellement, un ensemble d'absorbeurs nucléaires en mouvement forme un peigne de fréquence dans le spectre d'absorption en raison du décalage de fréquence Doppler causé par le mouvement. Une impulsion courte dont le spectre correspond à un peigne absorbé par un tel ensemble de cibles nucléaires sera réémise avec le retard déterminé par le décalage Doppler inverse résultant de l'interférence constructive entre les différentes composantes spectrales.
« Cette idée a été réalisée avec succès dans notre expérience actuelle comprenant un absorbeur stationnaire et six absorbeurs se déplaçant de manière synchrone qui ont formé un peigne de fréquences à sept dents », a ajouté Zhang.
Zhang explique que la durée de vie de la cohérence nucléaire est le facteur limitant qui détermine la durée de stockage maximale pour ce type de mémoire quantique. Par exemple, l’utilisation d’isomères à durée de vie plus longue que l’isotope de fer 57 choisi par l’équipe pour son étude actuelle permettrait d’obtenir une durée de stockage plus longue.
Quoi qu'il en soit, il note que travailler au niveau d'un photon unique sans perdre d'informations qualifie le protocole de peigne de fréquence nucléaire de mémoire quantique, ce qui est une première pour les énergies des rayons X. Les prochaines étapes prévues par l'équipe comprennent la libération à la demande des paquets d'ondes de photons stockés, ce qui pourrait conduire à la réalisation de l'intrication entre différents photons de rayons X durs – la principale ressource pour le traitement de l'information quantique. Les recherches de l'équipe soulignent également le potentiel d'extension des technologies quantiques optiques à la gamme des courtes longueurs d'onde, qui est intrinsèquement moins « bruyante » en raison de la moyenne des fluctuations sur un grand nombre d'oscillations à haute fréquence.
Kocharovskaya affirme que les possibilités stimulantes sont intrigantes et qu'elle et ses collaborateurs ont hâte de continuer à explorer le potentiel de leur plate-forme réglable, robuste et hautement polyvalente pour faire progresser le domaine de l'optique quantique aux énergies des rayons X dans un avenir proche.
L'étude a été financée par la Deutsche Forschungsgemeinschaft, DESY et la National Science Foundation des États-Unis.
