Des physiciens des universités d'Innsbruck en Autriche et de Paris-Saclay en France ont pour la première fois combiné toutes les fonctionnalités clés d'un réseau quantique longue distance en un seul système. Dans une expérience de démonstration de principe, ils ont utilisé ce système pour transférer des informations quantiques via un nœud dit répéteur sur une distance de 50 kilomètres – suffisamment loin pour indiquer que les éléments constitutifs de réseaux quantiques pratiques à grande échelle pourraient bientôt être à portée de main.
Les réseaux quantiques comportent deux composants fondamentaux : les systèmes quantiques eux-mêmes, appelés nœuds, et une ou plusieurs connexions fiables entre eux. Un tel réseau pourrait fonctionner en connectant les bits quantiques (ou qubits) de plusieurs ordinateurs quantiques pour « partager la charge » de calculs quantiques complexes. Il pourrait également être utilisé pour des communications quantiques ultra-sécurisées.
Mais construire un réseau quantique n’est pas une tâche facile. De tels réseaux fonctionnent souvent en transmettant des photons uniques intriqués ; c'est-à-dire que son état quantique est étroitement lié à l'état d'une autre particule quantique. Malheureusement, le signal d’un seul photon se perd facilement sur de longues distances. Les porteurs d’informations quantiques peuvent également perdre leur nature quantique dans un processus appelé décohérence. Booster ces signaux est donc essentiel.
Répétition sans hésitation ni déviation
Les répéteurs quantiques peuvent fournir ce coup de pouce, mais pas de manière simple. Étant donné que les règles de la mécanique quantique restreignent la copie d’états intriqués, les répéteurs ne peuvent pas simplement copier le signal qu’ils reçoivent et le transmettre au nœud suivant. Au lieu de cela, ils doivent stocker les informations dans une mémoire dite quantique, puis les transférer à l’aide d’un processus appelé mesure d’état de Bell (BSM).
Un répéteur quantique pleinement performant doit également répondre à certaines exigences pratiques. Premièrement, les signaux quantiques doivent être aux longueurs d’onde utilisées dans les télécommunications, afin de pouvoir être transmis à travers des fibres optiques sans trop de perte. Deuxièmement, la durée de stockage de la mémoire quantique devrait dépasser le temps nécessaire pour générer l’intrication. Enfin, chaque étape du processus doit être déterministe, ce qui signifie que des signaux doivent être produits après chaque étape réussie.
Tout en un
Les derniers travaux, décrits dans Physical Review Letters, combine les trois exigences pratiques en une seule expérience. Dans la séquence initiale d’événements, deux ions calcium piégés émettent chacun un photon, formant deux paires photon-ion intriquées. Ici, les ions piégés fonctionnent comme des qubits et leurs états quantiques sont répartis sur le réseau quantique. Les photons de ces paires sont ensuite convertis à la longueur d'onde des télécommunications de 1550 25 nm et envoyés à deux nœuds différents via des fibres optiques distinctes de 50 km de long. La distance totale entre les nœuds est donc de XNUMX km.
Chaque fois qu’un photon atteint son nœud désigné, l’état de son ion intriqué est stocké dans les états de mémoire protégés de l’ion. Le système tente ensuite à plusieurs reprises d’envoyer un deuxième photon (intriqué au deuxième ion) vers l’autre nœud. Une fois les photons détectés aux deux nœuds, les expérimentateurs effectuent un BSM pour transférer les états ioniques vers leurs photons intriqués respectifs.
Pour tester ce protocole, les chercheurs l'ont répété 44 720 fois sur une période de 33 minutes, enregistrant 2053 2 succès en 229 883 128 tentatives d'enchevêtrement de photons entre les nœuds distants. Cela ne semble peut-être pas être un taux de réussite élevé, mais la présence de mémoires ioniques rendait l'établissement d'un intrication XNUMX fois plus probable. Cela indique que d’autres améliorations pourraient être possibles, jusqu’à la limite où les deux détecteurs détectent avec succès les deux photons et sont limités uniquement par la décohérence dans les états de mémoire des ions.
Étendre davantage le réseau
Les chercheurs ont également modélisé jusqu’où leur méthode pouvait être poussée. En tenant compte de tous les différents facteurs, ils ont montré qu’un réseau de 17 nœuds répéteurs basés sur des ions pouvait établir une intrication entre des ions distants de 800 kilomètres. Selon le chercheur principal Ben Lanyon de l'Université d'Innsbruck, les membres de l'équipe prévoient désormais de dérouler les fibres qui se trouvent actuellement dans leurs laboratoires et d'envoyer l'enchevêtrement hors du campus, dans le réseau de fibres optiques commercial existant. « Notre vision est de sortir du laboratoire et de commencer à construire des réseaux quantiques de matière et de lumière entre les villes et les pays », explique-t-il. Monde de la physique.
De nouveaux répéteurs quantiques pourraient permettre un Internet quantique évolutif
Ronald Hansen, un physicien de QuTech aux Pays-Bas qui n'a pas participé aux travaux, qualifie le résultat d'important car il combine plusieurs éléments requis pour un répéteur quantique. En particulier, il note que l’expérience démontre un fonctionnement multi-qubits à l’intérieur du nœud, des interfaces qubit-photons efficaces et une compatibilité télécom, chaque élément fonctionnant en haute fidélité pour donner une bonne performance globale – la métrique la plus pertinente. Bien qu’un Internet quantique pleinement fonctionnel soit encore loin, Hanson estime que cette démonstration constitue une étape vers des répéteurs quantiques fonctionnels basés sur des ions piégés.
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- La source: https://physicsworld.com/a/quantum-repeater-transmits-entanglement-over-50-kilometres/
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