Les ions intriqués établissent un record longue distance – Physics World

Utiliser la lumière et les fibres optiques pour envoyer des informations d’un point A à un point B est aujourd’hui une pratique courante, mais et si nous pouvions ignorer entièrement les étapes « d’envoi et de transport » et simplement lire les informations instantanément ? Grâce à l’intrication quantique, cette idée n’est plus une œuvre de fiction, mais un sujet de recherche en cours. En intriquant deux particules quantiques telles que des ions, les scientifiques peuvent les placer dans un état commun fragile où la mesure d'une particule donne des informations sur l'autre d'une manière qui serait impossible classiquement.

Des chercheurs de l’Université d’Innsbruck, en Autriche, ont réalisé ce délicat processus d’intrication sur deux ions calcium piégés dans des cavités optiques distantes de 230 m – l’équivalent d’environ deux terrains de football – et reliés via une fibre optique de 520 m de long. Cette séparation constitue un record pour les ions piégés et constitue une étape importante dans les systèmes de communication et de calcul quantiques basés sur ces particules quantiques.

Vers un réseau quantique

Les réseaux quantiques constituent l’épine dorsale des systèmes de communication quantiques. L'un de leurs attraits est qu'ils pourraient relier le monde avec une puissance de calcul et une sécurité sans précédent tout en améliorant la précision de la détection et de la mesure du temps pour des applications allant de la métrologie à la navigation. De tels réseaux quantiques seraient constitués d’ordinateurs quantiques – les nœuds – connectés via l’échange de photons. Cet échange peut s’effectuer dans l’espace libre, de la même manière que la lumière voyage dans l’espace depuis le Soleil jusqu’à nos yeux. Alternativement, les photons peuvent être envoyés via des fibres optiques similaires à celles utilisées pour transmettre des données pour les services Internet, de télévision et de téléphonie.

Les ordinateurs quantiques basés sur des ions piégés offrent une plateforme prometteuse pour les réseaux quantiques et la communication quantique pour deux raisons. La première est que leurs états quantiques sont relativement faciles à contrôler. L’autre est que ces états sont robustes face aux perturbations externes qui peuvent perturber les informations transportées entre et au niveau des nœuds.

Ions calcium piégés

Dans les derniers travaux, des équipes de recherche dirigées par Tracy Northup ainsi que le Ben Lanyon à Innsbruck, les ions calcium ont été piégés dans des pièges Paul – une configuration de champ électrique qui produit une force sur l'ion, le confinant au centre du piège. Les ions calcium sont attrayants car ils ont une structure électronique simple et sont robustes au bruit. « Ils sont compatibles avec la technologie nécessaire aux réseaux quantiques ; et ils sont également facilement piégés et refroidis, donc adaptés aux réseaux quantiques évolutifs », explique Maria Galli, doctorant à Innsbruck qui a participé aux travaux, décrits dans Physical Review Letters.

Les chercheurs ont commencé par placer un seul ion piégé dans chacune de deux cavités optiques distinctes. Ces cavités sont des espaces entre des paires de miroirs qui permettent un contrôle et un réglage précis de la fréquence de la lumière qui rebondit entre eux (voir image ci-dessus). Ce contrôle strict est crucial pour relier, ou enchevêtrer, l’information de l’ion à celle du photon.

Après avoir intriqué le système ion-photon au niveau de chacune des deux cavités – les nœuds du réseau – les chercheurs ont effectué une mesure pour caractériser le système intriqué. Bien que la mesure détruise l’enchevêtrement, les chercheurs ont dû répéter ce processus plusieurs fois pour optimiser cette étape. Les photons, chacun intriqué avec l'un des ions calcium, sont ensuite transmis à travers la fibre optique qui relie les deux nœuds situés dans des bâtiments distincts.

Échange d'informations

Même si les chercheurs auraient pu transférer les photons dans l’espace libre, cela aurait risqué de perturber l’intrication ion-photon en raison de plusieurs sources de bruit. Les fibres optiques, en revanche, ont de faibles pertes, elles protègent également les photons et préservent leur polarisation, permettant une séparation plus longue entre les nœuds. Cependant, ils ne sont pas idéaux. « Nous avons observé quelques dérives dans la polarisation. Pour cette raison, toutes les 20 minutes, nous caractériserions la rotation de polarisation de la fibre et la corrigerions. dit Galli.

Les deux photons échangent les informations de leurs systèmes ion-photons respectifs via un processus connu sous le nom de mesure de l'état de cloche des photons (PBSM). Dans cette technique de détection sélective d’état, les fonctions d’onde des photons se chevauchent, créant un motif d’interférence qui peut être mesuré avec quatre photodétecteurs.

En lisant les signaux mesurés sur les photodétecteurs, les chercheurs peuvent savoir si l'information véhiculée par les photons – leur état de polarisation – est identique ou non. Des paires de résultats correspondants (états de polarisation horizontale ou verticale) annoncent par conséquent la génération d'un intrication entre les ions distants.

Compromis pour un enchevêtrement réussi

Les chercheurs ont dû équilibrer plusieurs facteurs pour générer un enchevêtrement entre les ions. L’une est la fenêtre temporelle pendant laquelle ils effectuent la mesure conjointe finale des photons. Plus cette fenêtre temporelle est longue, plus les chercheurs ont de chances de détecter des photons – mais le compromis est que les ions sont moins intriqués. En effet, ils visent à capturer des photons qui arrivent en même temps, et permettre une fenêtre temporelle plus longue pourrait les amener à détecter des photons qui sont réellement arrivés à des moments différents.

Un réseau quantique à trois nœuds fait ses débuts

Les chercheurs devaient donc vérifier soigneusement le degré d’intrication qu’ils parvenaient à obtenir pour une fenêtre de temps donnée. Sur une fenêtre temporelle d’une microseconde, ils ont répété l’expérience plus de 1 millions de fois, produisant 13 événements de détection. Ils ont ensuite mesuré indépendamment l’état des ions à chaque nœud pour vérifier la corrélation, qui était de 555 %. "Notre dernière étape de mesure consiste en fait à mesurer l'état des deux ions pour vérifier que la corrélation d'état attendue existe", explique Galli. "Cela confirme que nous avons réussi à créer un intrication entre les deux ions."

Du sprint au marathon

Deux terrains de football peuvent sembler une grande distance sur laquelle créer un état intriqué quantique précaire, mais l’équipe d’Innsbruck a de plus grands projets. En apportant des changements tels que l'augmentation de la longueur d'onde des photons utilisés pour transmettre les informations entre les ions, les chercheurs espèrent parcourir une distance bien plus grande, soit 50 km, soit plus longue qu'un marathon.

Alors que d’autres groupes de recherche ont déjà démontré l’intrication sur des distances encore plus longues à l’aide d’atomes neutres, les plates-formes basées sur les ions présentent certains avantages. Galli note que les fidélités des portes quantiques réalisées avec des ions piégés sont meilleures que celles des portes quantiques réalisées sur des atomes, principalement parce que les interactions entre les ions sont plus fortes et plus stables que les interactions entre atomes et que le temps de cohérence des ions est beaucoup plus long.

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• La source: https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/