L’avenir quantique des télécommunications : une longévité sans précédent dans le stockage par intrication

Les physiciens ont réalisé une avancée majeure dans la technologie quantique en prolongeant considérablement les durées de stockage quantique aux longueurs d’onde des télécommunications. Cette avancée est essentielle pour développer des réseaux quantiques pratiques et les intégrer dans les infrastructures de fibre optique existantes.

Les technologies quantiques évoluent actuellement à un rythme effréné. Ces technologies exploitent les principes de la mécanique quantique dans des systèmes convenablement conçus, avec des perspectives prometteuses telles que l’amélioration de l’efficacité informatique ou de la sécurité des communications bien au-delà de ce qui est possible avec des dispositifs basés sur les technologies « classiques » d’aujourd’hui.

Cependant, comme pour les appareils classiques, pour réaliser leur plein potentiel, les appareils quantiques devront être mis en réseau. En principe, cela peut être réalisé en utilisant les réseaux de fibres optiques utilisés pour les télécommunications classiques. Mais la mise en œuvre pratique nécessite que les informations codées dans les systèmes quantiques puissent être stockées de manière fiable aux fréquences utilisées dans les réseaux de télécommunications – une capacité qui n’a pas encore été pleinement démontrée.

Écrire dans Communications naturellesle groupe du professeur Xiao-Song Ma de l’Université de Nanjing rapporte un stockage quantique d’une durée record aux longueurs d’onde des télécommunications sur une plate-forme qui peut être déployée dans des réseaux étendus, ouvrant la voie à des réseaux quantiques pratiques à grande échelle.

Fibres optiques et défis quantiques

Le tissu physique d’Internet est tissé à partir de fibres optiques. Les fibres de verre qui composent ces vastes réseaux sont réputées pures. Un exemple courant est que l’on pouvait voir clairement à travers une fenêtre d’un kilomètre d’épaisseur faite d’un tel verre. Certaines pertes sont néanmoins inévitables et les signaux optiques qui transitent par les réseaux de télécommunications doivent être « rafraîchis » à intervalles réguliers dès que les distances dépassent quelques centaines de kilomètres. Pour les signaux classiques, il existe des techniques bien établies et couramment utilisées basées sur l’amplification répétée du signal. Toutefois, pour les états quantiques de la lumière, ces approches couramment utilisées ne conviennent malheureusement pas.

Pourquoi la « lumière quantique » est-elle différente ? Un ingrédient clé qui rend les technologies quantiques si puissantes est l’intrication quantique, un état dans lequel deux ou plusieurs quanta de lumière (ou photons) partagent entre eux des corrélations plus fortes que celles possibles pour la lumière classique. Dans la régénération conventionnelle du signal optique, le signal optique est converti en un signal électrique, qui est amplifié avant d’être reconverti en impulsions lumineuses. Cependant, dans un tel processus, les photons intriqués perdraient leurs corrélations quantiques si importantes. Le même problème se produit avec d’autres méthodes conventionnelles.

Une solution consiste à utiliser des répéteurs dits quantiques. En un mot, les répéteurs quantiques stockent l’état intriqué fragile et le transforment en un autre état quantique qui partage l’intrication avec le nœud suivant sur toute la ligne. En d’autres termes, au lieu d’amplifier le signal, les nœuds sont « cousus ensemble », exploitant leurs propriétés quantiques uniques. Au cœur de ces réseaux de répéteurs quantiques se trouvent des mémoires quantiques dans lesquelles les états quantiques de la lumière peuvent être stockés. Réaliser ces mémoires avec une durée de stockage suffisamment longue constitue un défi de taille, notamment pour les photons aux longueurs d’onde des télécommunications (c’est-à-dire autour de 1,5 µm).

Percée dans le stockage quantique

D’où l’enthousiasme que Ming-Hao Jiang, Wenyi Xue et leurs collègues du groupe de Xiao-Song Ma rapportent désormais le stockage et la récupération de l’état intriqué de deux photons de télécommunications avec une durée de stockage proche de deux microsecondes. C’est près de 400 fois plus long que ce qui avait été démontré auparavant dans ce domaine et constitue donc une étape décisive vers des dispositifs pratiques.

Les souvenirs développés par Jiang, Xue et coll. sont à base d’orthosilicate d’yttrium (Y₂SiO₅) cristaux dopés avec des ions de l’erbium, un élément de terre rare. Ces ions ont des propriétés optiques presque parfaites pour une utilisation dans les réseaux de fibres existants, correspondant à une longueur d’onde d’environ 1,5 μm. L’aptitude des ions erbium au stockage quantique est connue depuis quelques années et le fait qu’ils soient intégrés dans un cristal les rend particulièrement attractifs en vue d’applications à grande échelle. Cependant, la mise en œuvre pratique de mémoires quantiques à base d’ions erbium s’est révélée jusqu’à présent relativement inefficace, entravant les progrès vers des répéteurs quantiques.

Le groupe de Ma a maintenant fait des progrès significatifs dans le perfectionnement des techniques et a montré que même après avoir stocké les photon pendant 1936 nanosecondes, l’intrication de la paire de photons est préservée. Cela signifie que l’état quantique peut être manipulé pendant ce temps, comme cela est requis dans un répéteur quantique. De plus, les chercheurs ont combiné leur mémoire quantique avec une nouvelle source de photons intriqués sur une puce intégrée.

Cette capacité démontrée à générer des photons intriqués de haute qualité à des fréquences de télécommunications et à stocker l’état intriqué, le tout sur une plate-forme à semi-conducteurs adaptée à une production de masse à faible coût, est passionnante car elle constitue un élément de base prometteur qui pourrait être combiné avec les photons intriqués existants. réseaux de fibre optique à grande échelle, permettant ainsi un futur Internet quantique.