31 mars 2022 - Anton Vos

 

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Un cristal stocke 1 qubit durant 20 millisecondes

Une équipe est parvenue à stocker durant un temps record 1 bit quantique dans une mémoire quantique solide. Une étape indispensable en vue du développement d’un réseau de communication quantique à l’échelle d’un pays.

 

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Cristal utilisé pour le stockage de qubits photoniques et illuminé par un laser dans un cryostat permettant de descendre à des températures proches du zéro absolu. Photo: Antonio Ortu/CC-BY

Une équipe dirigée par Mikael Afzelius, maître d’enseignement et de recherche au Département de physique appliquée (Faculté des sciences), est parvenue à transférer un état quantique – ou qubit – d’un photon à un cristal et à le conserver dans ce dernier durant 20 millisecondes. Comme le rapporte l’article paru le 15 mars dans la revue npj Quantum Information, il s’agit d’un record mondial pour une mémoire quantique basée sur un système solide.

Le développement de mémoires quantiques, ou de «répéteurs» quantiques, est un élément essentiel pour la mise en place d’un réseau à grande échelle de télécommunication quantique. Exploitant les propriétés quantiques des grains de lumière (photons) circulant dans des fibres optiques, cette technologie permet à deux interlocuteurs de s’échanger de manière parfaitement confidentielle une clé de cryptage servant à coder des messages. Si un espion essayait de lire subrepticement la transmission de cette clé, il perturberait immanquablement la communication – la simple opération de lire l’état quantique d’un photon a en effet comme résultat de le détruire – et alerterait immédiatement les deux cachottiers qui n’auraient alors qu’à en créer une nouvelle.

 

La méthode dite de Quantum Key Distribution (QKD) fonctionne très bien et il existe depuis plusieurs années des solutions développées notamment par la start-up genevoise ID Quantique, leader sur le marché. Le problème, c’est que la communication quantique est pour l’instant limitée par la distance. Au-delà de quelques centaines de kilomètres, les photons se perdent et le signal disparaît. Le record de distance de distribution de clé quantique dans une fibre optique (421 kilomètres) est d’ailleurs détenu depuis 2018 – dans des conditions de laboratoire – par une autre équipe genevoise, celle de Hugo Zbinden, professeur associé au Département de physique appliquée (Faculté des sciences). Mais la réalisation d’un réseau de communication quantique à l’échelle d’un pays ou d’un continent exige de couvrir des distances beaucoup plus grandes.
Comme il est impossible de copier un état quantique, l’enjeu consiste à mettre au point des répéteurs capables de conserver le signal quantique assez longtemps pour établir une liaison entre deux points très éloignés. En 2015, Mikael Afzelius avait déjà réussi à transférer un qubit porté par un photon dans un cristal et à l’y stocker durant 0,5 milliseconde. Il s’agissait d’un cristal dopé à l’europium, un métal appartenant aux terres rares, et maintenu à une température très proche du zéro absolu (-273,15 °C) afin d’éviter que l’agitation thermique ne détruise les propriétés quantiques des atomes. Mais cette durée était encore insuffisante pour une utilisation pratique. En perfectionnant le dispositif expérimental, les scientifiques ont réussi à la multiplier par 40. Ils sont même parvenus à atteindre la durée de 100 millisecondes, mais au prix d’une petite perte de fidélité.
Le chercheur genevois vise désormais à allonger davantage encore le temps de stockage, ce qui implique des difficultés techniques pour l’instant irrésolues. Avec son équipe, il cherche également à trouver le moyen de concevoir des mémoires capables de stocker plus d’un seul photon à la fois, gage de confidentialité.

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