Des chercheurs développent un réseau quantique hybride

Dans une étude récemment publiée dans la revue Nature, les chercheurs de l’ICFO ont réussi à établir une connexion quantique «hybride» et démontré pour la première fois une communication quantique photonique entre deux nœuds quantiques très distincts placés dans différents laboratoires, en utilisant un photon unique comme support d’information.

Aujourd’hui, la possibilité de construire un réseau de communication quantique s’accélère et pourrait devenir une technologie de rupture fournissant des capacités radicalement nouvelles tant pour le traitement que pour la communication d’informations. De récentes études suggèrent que cette révolution pourrait être imminente.

Les éléments clés d’un réseau de communication quantique sont les nœuds quantiques, constitués de systèmes matériels permettant de stocker et de traiter l’information, tels que des gaz d´atomes froids, des solides dopés, entre autres, ainsi que de particules véhiculant l’information, principalement des photons. Alors que les photons semblent être de parfaits supports d’information, il existe toujours une incertitude quant au système de matière qui pourrait être utilisé comme nœuds du réseau, car chaque système fournit des fonctionnalités et des avantages différents. Il a donc été proposé de mettre en œuvre un réseau hybride, combinant les meilleures capacités des différents nœuds quantiques qui le composent.

Des études antérieures ont démontrés des transferts fidèles d’informations quantiques entre des nœuds identiques, mais c’est la première fois que cela a été réalisé avec un réseau de nœuds “hybrides”. Les chercheurs de l’ICFO ont été en mesure de trouver une solution pour faire fonctionner un réseau quantique hybride et résoudre le défi d’un transfert fiable d’états quantiques entre différents nœuds quantiques via des photons uniques. Pour ce faire, un seul photon doit interagir fortement et sans générer de bruit avec les nœuds hétérogènes, qui fonctionnent généralement à différentes longueurs d’onde et largeurs de bande. Comme le dit Nicolas Maring, « c’est comme si les nœuds parlaient dans des langues différentes. Pour qu’ils communiquent, il est nécessaire de convertir les propriétés du photon unique afin qu’il puisse transférer efficacement l’information entre ces différents nœuds. »

Comment ont-ils résolu le problème ?

Dans leur étude, les chercheurs de l’ICFO utilisent deux nœuds quantiques très distincts: le nœud émetteur est un nuage d’atomes de Rubidium refroidis par laser, et le nœud récepteur, un cristal dopé avec des ions de Praséodyme. Les scientifiques ont tout d’abord généré, dans le nuage d’atomes froids, un bit quantique (qubit) codé dans un photon unique avec une bande passante très étroite et une longueur d’onde de 780 nm. Ils ont ensuite converti le photon à la longueur d’onde de 1552 nm démontrant ainsi que ce réseau pourrait être compatible avec la gamme actuelle des bandes C de télécommunications optiques. Par la suite, ils l’ont envoyé à travers un câble de fibre optique sous la forme d’un qubit photonique codé en “time-bin” d’un laboratoire à l’autre. Une fois dans le deuxième laboratoire, la fréquence du photon a été convertie à 606 nm afin d’interagir correctement et de transférer l’état quantique au nœud récepteur, le cristal dopé. Lors de son interaction avec le cristal, l’état quantique du photon y a été stocké pendant environ 2,5 microsecondes et a ensuite été récupéré avec une très grande fidélité.

Les résultats de l’étude ont montré que deux systèmes quantiques très différents peuvent être connectés et peuvent communiquer au moyen d’un photon unique. Comme le souligne le professeur ICREA à l’ICFO, Hugues de Riedmatten, «être en mesure de connecter des nœuds quantiques avec des fonctionnalités et des capacités très différentes ainsi que de transmettre entre eux des bits quantiques à l’aide de photons uniques représente une étape clé dans le développement de réseaux quantiques hybrides». La possibilité de faire des conversions de qubits photoniques à la longueur d’onde des télécommunications montre que ces systèmes seraient compatibles avec les réseaux fibrés actuels.

The team at ICFO: from right to left: Dr. Margherita Mazzera, Dr. Georg Heinze, Nicolas Maring, Prof. Hugues de Riedmatten, Dr. Kutlu Kutluer, and Pau Farrera. De droite à gauche: Dr. Margherita Mazzera, Dr. Georg Heinze, Nicolas Maring, Prof. Hugues de Riedmatten, Dr. Kutlu Kutluer et Pau Farrera.

Avantages des réseaux de communication quantique et classique

Le réseau de communication classique ou “World Wide Web” a été développé dans les années 80. L’information y circule au moyen de “bits”, traités et modulés par des circuits électroniques et puces et transmis par des impulsions lumineuses, minimisant les pertes de signal à travers des câbles de fibres optiques.

Au lieu d’utiliser les bits classiques, les réseaux de communication quantiques (ou internet quantique) traitent et stockent l’information à travers des bits quantiques ou «qubits». Alors que les bits peuvent être 0 ou 1, les qubits peuvent être dans n’importe quelle superposition de ces deux états. Dans un réseau quantique, ils sont générés et traités par des systèmes matériels quantique, par exemple des gaz d´atomes froids ou des solides dopés, entre autre. Contrairement aux réseaux classiques, l’information quantique est transférée entre les nœuds par des photons uniques et non pas par de fortes impulsions lumineuses.

Les réseaux de communication quantiques (composés de nœuds quantiques et de canaux de communication quantiques) ouvriront de nouvelles possibilités technologiques permettant, par exemple, la transmission de données totalement sécurisée, le traitement de données amélioré par le calcul quantique distribué ou encore de nouveaux protocoles plus précis de synchronisation d’horloge.

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References: "Photonic quantum state transfer between a cold atomic gas and a crystal" Nicolas Maring, Pau Farrera, Kutlu Kutluer, Margherita Mazzera, Georg Heinze, and Hugues de Riedmatten, Nature, 2017
À propos d'ICFO
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