Une mémoire quantique en cristal pour les communications quantiques

En substance, on parle d'intrication quantique lorsque des particules comme des photons ou des électrons interagissent physiquement et se séparent, mais restent étroitement connectées, même si elles se trouvent à des milliers de kilomètres de distance. Ce phénomène va a l'encontre du bon sens et de toutes les lois de notre monde physique, mais une particule située à Tokyo, si mesurée par un observateur, présenterait les mêmes qualités que son homologue intriqué situé à Bruxelles.

Des systèmes quantiques à photons dans un état intriqué peuvent être utilisés comme canal d'information quantique pour mener des tâches informatiques, cryptographiques et de communication impossibles à réaliser par des systèmes traditionnels. De plus, principalement pour des besoins de communications, la liaison intrinsèque des paires de photons assure une sécurité et une fidélité complètes, car si l'un des photons est mesuré, il révèlera avec précision ce que l'autre photon révèlerait si lui aussi était mesuré. De plus, si le signal était intercepté par une troisième partie, il serait immédiatement détecté, car l'intrication doit être rompue pour intercepter le message. Une fois l'intrication rompue, elle ne peut être restaurée. Ces propriétés ouvrent un monde nouveau d'applications.

«Les applications de technologies quantiques n'en sont qu'à leurs balbutiements. Ainsi, il est probable que nous ne soyons pas vraiment conscients des futures applications», fait remarquer le professeur Nicolas Gisin du Groupe de physique appliquée de l'université de Genève en Suisse. «Ces futures applications de technologies quantiques seraient probablement considérées comme de la magie à l'heure actuelle.»

L'informatique quantique permettrait de résoudre une requête, comme le décryptage de codes par exemple, en examinant toutes les combinaisons d'entrées possibles simultanément. Alors que les ordinateurs actuels peuvent prendre des années à examiner chaque combinaison possible, l'informatique quantique permet de le faire en une seule fois. Et l'intrication quantique permettrait une communication instantanée, et même la téléportation de petits objets solides d'un endroit à l'autre.

Le professeur Gisin et une équipe de chercheurs provenant de quatre pays européens (la France, l'Allemagne, la Suède et la Suisse) sont parvenus à faire progresser les travaux de recherche dans ce sens. Leurs travaux devraient contribuer au développement d'applications commerciales pour la technologie de communication quantique dans les dix prochaines années.

Dans le cadre du projet QUREP («Quantum repeaters for long distance fibre-based quantum communication»), soutenu à hauteur de 1,9 million d'euros par la Commission européenne, le consortium a réalisé d'important progrès dans le développement d'un répéteur quantique capable de renforcer des signaux quantiques sur de longues distances, rendant ainsi le concept de la communication quantique longue distance plus réel.

La communication quantique a déjà été confirmée pour les petites distances, mais les moyens de séparer efficacement des photons intriqués sur de longues distances n'avaient jamais été découverts jusqu'à présent. Les chercheurs de QUREP ont réussi à résoudre le problème en développant des composants essentiels d'un répéteur quantique. Ce dispositif est similaire aux répéteurs utilisés dans les communications actuelles standard et son rôle est de renforcer un signal entrant et de le répéter à l'autre extrémité afin d'éviter toute perte de la force du signal lors de son déplacement.

«Les répéteurs quantiques sont des blocs de base élémentaires de la communication quantique longue distance. Ils requièrent la capacité de distribuer l'intrication sur des dizaines de kilomètres, les mémoires quantiques et l'échange d'intrication quantique par des mesures communes sur deux photons. Nous nous sommes concentrés sur les mémoires quantiques, qui représentent un énorme défi en soi», commente le professeur Gisin. «Les résultats sont très encourageants, même s'il est évident qu'il nous reste encore beaucoup à faire pour transposer cette technologie à un niveau adapté à l'industrialisation.»

L'équipe a développé des mémoires quantiques à l'état solide à partir de cristaux dopés aux ions de terres rares, qui absorbent un photon signal en entrée et émettent un nouveau photon en sortie ayant des propriétés d'intrication identiques.

«La largeur de bande des mémoires quantiques constitue un défi d'envergure», commente le professeur Gisin. «Nos mémoires quantiques ont une largeur de bande relativement importante par rapport aux autres approches. Néanmoins, elles sont limitées à une centaine de mégahertz (MHz). Ainsi, le développement de sources de photons intriqués aux largeurs de bande compatibles et à haute stabilité était un des défis auxquels nous étions confrontés. Une fois résolu, nous pourrons démontrer le phénomène de l'intrication entre deux de nos mémoires quantiques.»

Lors des tests, l'équipe a réussi à envoyer un photon signal au cristal pour qu'il y soit stocké alors que l'autre photon, le photon témoin, est resté sur place. Le photon signal a pu être détecté dans un laboratoire du Groupe de physique appliquée à 50 mètres de distance. Une fois mesuré, ce dernier a révélé avec une certitude absolue le résultat de la mesure du photon témoin.

«L'utilisation de grandes quantités d'ions simplifie fortement le couplage entre les photons et la mémoire, tant pour le stockage que l'extraction. Et nous avons travaillé sur une valeur de 3 kelvin, une température facilement atteignable et compatible avec les meilleurs détecteurs de photons uniques supraconducteurs», commente le professeur Gisin. «Très peu de projets parviennent à associer toutes les technologies et le savoir-faire nécessaires pour démontrer l'efficacité des répéteurs quantiques, mais QUREP est parvenu à réaliser cet exploit.»

Pourtant, pour que la technologie passe du laboratoire aux applications réelles, plusieurs autres défis doivent encore être résolus.

«Il nous reste encore à résoudre des défis tels qu'une durée de mémoire plus longue (jusqu'à une seconde), une meilleure efficacité (jusqu'à 80%) et des sources de signal renforcées. Et même dans ce cas, il nous reste encore un défi pour parvenir à faire fonctionner tous ces éléments ensemble», reconnaît le professeur Gisin.

Les membres du consortium, qui regroupe des institutions de recherche éminentes et plusieurs entreprises, espèrent poursuivre leurs recherches sur les répéteurs quantiques et se tourner vers des entreprises pour progresser sur cette voie.

Pour matérialiser des applications commerciales, le coordinateur de QUREP prévoit une démonstration de faisabilité d'un répéteur quantique en communication directe et une analyse détaillée des simplifications, de l'industrialisation, et de la réduction des coûts de développement et de fabrication.

«Je crois que c'est faisable, mais cela requiert beaucoup de temps des physiciens», explique-t-il. «L'écart entre la recherche universitaire et l'industrie est énorme. Je pense que nous avons fortement contribué à combler cet écart mais nous devons encore fournir un effort aussi grand avant qu'un projet d'ingénierie ne développe un produit. Dans la première étape du projet QUREP, nous avons identifié avec précision les défis restant à surmonter et identifié les voies permettant de les résoudre.»

Le projet QUREP bénéficie d'un financement de la recherche au titre du septième programme-cadre (7e PC) de l'Union européenne.

Lien au projet sur CORDIS:

- le 7e PC sur CORDIS
- Fiche d'informations du projet QUREP sur CORDIS

Lien au site web du projet:

- Site web du projet «Quantum repeaters for long distance fibre-based quantum communication»

Autres liens:

- Site web de la stratégie numérique de la Commission européenne