Le groupe Otto-Hahn "Quantum Networks" de l'institut "Max-Planck of Quantum Optics" de Garching en Allemagne a mené des recherches sur ce qu'il appelle un "modem quantique". Il a annoncé cette semaine avoir réalisé la première percée dans une technologie relativement simple, mais qu'elle juge efficace pour être intégrée dans les réseaux à fibres optiques existants. Les chercheurs ont publié les résultats de leur étude ce mercredi dans la revue scientifique en libre accès Physical Review X (PRX).L'Internet quantique pourrait-il devenir la prochaine grande révolution technologique ?
Les recherches sur un Internet quantique se sont multipliées ces dernières années dans plusieurs laboratoires du monde. En effet, la première révolution quantique a donné naissance à l'électronique à semi-conducteurs, au laser et enfin à l'Internet. Ainsi, l'on estime que la deuxième révolution quantique à venir garantira une communication à l'épreuve des espions, des capteurs quantiques extrêmement précis et des ordinateurs quantiques pour des tâches de traitement auparavant impossibles à résoudre.
Toutefois, cette révolution n'en est qu'à ses débuts. Un objet central de la recherche est une interface entre des dispositifs quantiques locaux et des quanta de lumière qui permettent la transmission à distance de données quantiques très sensibles. « Plus tard, l'Internet quantique pourrait être utilisé pour connecter des ordinateurs quantiques situés en différents endroits », a déclaré le physicien allemand Andreas Reiserer, qui dirige l'équipe de recherche indépendante Otto-Hahn "Quantum Networks". Cependant, cela nécessite des interfaces appropriées pour les informations quantiques extrêmement sensibles.
D'après les chercheurs, il s'agit d'un défi technique énorme, c'est pourquoi de telles interfaces sont au cœur de la recherche fondamentale. Elles doivent garantir que des bits quantiques stationnaires, qubits pour faire court, interagissent efficacement avec des qubits "mobiles" pour les communications à longue distance sans détruire l'information quantique. Les qubits stationnaires seront situés dans des dispositifs locaux, par exemple la mémoire ou le processeur d'un ordinateur quantique. Les qubits volants seront typiquement des quanta de lumière ou des photons, qui transporteront l'information quantique dans l'air, dans le vide spatial ou par des réseaux de fibres optiques.
L'enjeu important de la connexion entre les qubits stationnaires et les qubits mobiles
Le modem quantique est destiné à établir efficacement une connexion entre les qubits mobiles et stationnaires. Ainsi, l'équipe a développé une nouvelle technologie et a fait une démonstration de ses fonctionnalités de base. Selon eux, l'avantage crucial de la technologie est qu'elle pourrait être intégrée au réseau de télécommunications à fibres optiques existant. Pour que ce système fonctionne, les photons envoyés ou reçus par le modem en tant que porteurs d'informations quantiques doivent être adaptés avec précision à la longueur d'onde infrarouge de la lumière laser utilisée pour les télécommunications.
Cela signifie que le modem doit avoir des qubits au repos qui peuvent réagir précisément à ces photons infrarouges avec un saut quantique. Ce n'est qu'ainsi que les informations quantiques sensibles peuvent être transmises directement entre les qubits au repos et les qubits mobiles. Des recherches approfondies du groupe ont montré que l'élément "erbium" est le mieux adapté à cette fin. Malheureusement, les atomes d'erbium sont très réticents à faire ce saut quantique. Ils doivent donc être fixés dans un environnement qui les oblige à réagir plus rapidement.
Pour résoudre ce problème, les atomes d'erbium et les photons infrarouges sont enfermés dans un espace approprié aussi longtemps que possible. « On peut considérer cela comme une fête, qui devrait stimuler la meilleure communication possible entre, disons, dix invités », a expliqué Reiserer. La taille de l'espace est ici cruciale. « Dans un stade de football, les invités se perdraient, une cabine téléphonique, à son tour, serait trop petite, mais un salon ferait l'affaire », a poursuivi le physicien. Cela dit, la fête serait vite terminée, car les photons voyagent à la vitesse de la lumière et sont donc très volatils et toujours tentés de partir.
C'est pourquoi le modem quantique conçu par le groupe utilise une minuscule armoire de miroir comme "salon". L'équipe a donc entassé les atomes dans un cristal transparent fait d'un composé de silicate d'yttrium, qui est cinq fois plus fin qu'un cheveu humain. Ce cristal, à son tour, est placé comme un sandwich étalé entre deux miroirs presque parfaits. Pour éliminer l'oscillation thermique des atomes, destructrice pour l'information quantique, l'ensemble est refroidi à une température de moins de 271 °C.
Les photons emprisonnés entre les miroirs sont réfléchis dans les deux sens par des balles de ping-pong en cristal. Ils passent si souvent à côté des atomes d'erbium que ceux-ci ont le temps de réagir avec un saut quantique. Par rapport à une situation sans armoire à miroirs, cela se passe beaucoup plus efficacement et presque soixante fois plus rapidement.
Puisque les miroirs, malgré leur perfection, sont également légèrement perméables aux photons, le modem peut se connecter au réseau. « Nous sommes très heureux de ce succès », déclare Reiserer. Dans une prochaine étape, le groupe veut améliorer l'expérience de manière à ce que les atomes d'erbium individuels puissent être adressés sous forme de qubits via la lumière laser. Selon les chercheurs, ce n'est pas seulement une étape importante vers un modem quantique utilisable. Ce procédé peut servir dans d'autres cas d'utilisation.
Le groupe a déclaré que les atomes d'erbium en tant que qubits dans un cristal peuvent même faire directement office de processeur quantique, qui est la partie centrale d'un ordinateur quantique. Cela rendrait le modem facilement compatible avec de tels terminaux quantiques. En outre, les chercheurs pensent que, dans un proche avenir, des "répéteurs quantiques" de construction relativement simple deviendraient également possibles.
Selon le groupe, ces répéteurs quantiques font également l'objet de recherches internationales. « Bien qu'un tel dispositif basé sur notre technologie coûterait environ cent mille euros, une utilisation généralisée ne serait pas irréaliste », a déclare Reiserer. Le modem quantique du groupe Otto-Hahn "Quantum Networks" est encore une recherche purement fondamentale. Cependant, il a le potentiel de faire progresser la réalisation technique d'un Internet quantique.
Sources : Rapport de l'étude, ScienceMint
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