Un atome de terres rares peut fabriquer un répéteur quantique aux longueurs d'onde des télécommunications – Physics World

Des chercheurs de l'Université de Princeton aux États-Unis ont franchi une étape clé vers la réalisation de réseaux quantiques évolutifs grâce à un élément de terre rare : l'erbium. L'erbium est efficace pour émettre et absorber des photons aux longueurs d'onde utilisées dans l'industrie des télécommunications, ce qui constitue un avantage car ces photons peuvent parcourir de longues distances avec peu d'atténuation dans les fibres optiques standards. Exploiter cette force dans le domaine quantique a été un défi, mais l’équipe de Princeton a réussi à convaincre un dispositif à base d’erbium d’émettre des photons identiques – une condition préalable pour que les répéteurs quantiques puissent partager des informations quantiques sur de vastes distances.

"Les fibres dopées à l'erbium sont utilisées comme répéteurs classiques pour fabriquer des amplificateurs à fibres classiques pour toutes sortes de liaisons de communications optiques, comme les câbles sous-marins longue distance", explique Jeff Thompson, professeur de génie électrique et informatique à Princeton et chercheur principal sur les travaux. "Donc, pour moi, il était très naturel d'essayer d'en proposer une version quantique."

Avantageux, mais délicat à utiliser

Les photons sont peut-être des supports naturels d’informations, mais ils sont difficiles à retenir et interagissent rarement les uns avec les autres. Cela signifie que si un photon est perdu ou si les informations qui y sont codées se dégradent, les autres photons ne peuvent pas venir à la rescousse. Au lieu de cela, les informations quantiques doivent être stockées dans une sorte de mémoire – dans ce cas, un atome. "Un répéteur quantique n'est en réalité qu'un moyen de cartographier les informations quantiques entre la lumière et les atomes", explique Elisabeth Goldschmidt, professeur d'optique quantique à l'Université de l'Illinois-Urbana Champaign, aux États-Unis, qui n'a pas participé aux travaux.

Dans les réseaux quantiques basés sur des répéteurs, l’idée est d’établir une intrication entre deux points distants en divisant cette distance en morceaux. La façon dont cela fonctionne est qu'un répéteur quantique situé à une extrémité du canal longue distance émet un photon et, ce faisant, s'y mêle. Un autre répéteur situé à une courte distance du canal émet également un photon dans la direction du premier. Lorsque les deux photons se rencontrent, ils sont mesurés de manière à les enchevêtrer. Tant que les photons restent intriqués avec leurs émetteurs respectifs, les émetteurs s'enchevêtrent également. En poursuivant ce processus tout au long de la chaîne, les deux émetteurs situés aux extrémités opposées du canal finiront par s'emmêler. Ils peuvent ensuite être utilisés comme clés partagées dans un système de distribution de clés quantiques, ou partager un peu d'informations quantiques via un protocole de téléportation quantique.

Répète après moi

D'autres technologies de répéteurs quantiques ont été développées en utilisant divers atomes ou défauts du diamant. Cependant, ces systèmes émettent généralement des photons à des fréquences proches du visible, qui s'atténuent rapidement dans les fibres optiques. Pour fonctionner de manière optimale, ils nécessitent une conversion de fréquence, ce qui est complexe et peut coûter cher. Un répéteur émettant automatiquement une lumière de la couleur souhaitée simplifierait grandement le processus.

Pour qu’un atome d’erbium fonctionne comme un tel répéteur quantique, deux choses principales doivent se dérouler correctement. Premièrement, l’atome doit émettre des photons suffisamment rapidement pour que le système soit pratique. Deuxièmement, le photon émis doit préserver ses propriétés quantiques et rester intriqué avec l’atome qui l’a émis malgré les perturbations – une propriété connue sous le nom de cohérence.

Malheureusement, les atomes d’erbium dans la nature n’émettent que très rarement des photons dans la bande des télécommunications. Pour augmenter le taux d'émission de l'erbium à la couleur souhaitée, l'équipe a placé l'atome à l'intérieur d'un cristal, à seulement quelques nanomètres de la surface. Au sommet de ce cristal, ils ont placé une cavité, qui est un dispositif nanophotonique en silicium conçu pour piéger la lumière à la longueur d'onde précise émise par l'erbium. En plaçant l'atome d'erbium dans cette cavité, les chercheurs de Princeton l'ont persuadé d'émettre des photons de télécommunication près de 1000 XNUMX fois plus fréquemment qu'ils ne le feraient autrement.

Un choix difficile

Pour préserver la cohérence quantique des photons suffisamment longtemps pour transmettre l'intrication, Thompson et ses collègues ont dû choisir très soigneusement leur matériau cristallin. Parmi des milliers de possibilités initiales, ils en ont essayé une vingtaine en laboratoire avant de choisir le tungstate de calcium, ce qui a amené la cohérence des photons émis à un niveau suffisamment élevé pour qu'ils puissent participer à une interférence quantique les uns avec les autres. Cette interférence quantique est nécessaire pour l’étape de mesure de l’intrication des photons dans l’architecture du répéteur quantique.

De nouveaux répéteurs quantiques pourraient permettre un Internet quantique évolutif

La prochaine étape, qui, selon les chercheurs de Princeton, est à portée de main, consiste à démontrer l'intrication entre les photons émis par différents atomes d'erbium. Il s’agit ensuite de relier les répéteurs en série pour former un canal de communication quantique. Les chercheurs estiment que cette technologie devrait être facile à mettre à l’échelle car elle exploite l’industrie mature de la photonique sur silicium. "Je pense que c'est une chose très nouvelle et importante", déclare Goldschmidt. "Les atomes de terres rares peuvent conserver une grande partie de l'excellente cohérence que l'on obtient avec les atomes ou les ions sous vide, tout en étant hautement configurables et compatibles avec l'intégration de dispositifs, comme le montre si clairement ce travail."

La recherche est décrite dans Nature.

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• La source: https://physicsworld.com/a/rare-earth-atom-makes-a-quantum-repeater-at-telecom-wavelengths/