Nouveau record du monde pour le stockage de qubits

Ordinateurs, smartphones, GPS : la physique quantique a permis de nombreuses avancées technologiques. Elle ouvre aujourd’hui de nouveaux champs de recherche en cryptographie (l’art de chiffrer les messages) dans le but de développer des réseaux de télécommunications ultra-sécurisés. Il y a cependant un obstacle : après quelques centaines de kilomètres dans une fibre optique, les photons qui transportent les qubits ou « bits quantiques » (l’information) disparaissent. Ils ont donc besoin de « répéteurs », sorte de « relais », qui reposent en partie sur une mémoire quantique. En parvenant à stocker un qubit dans un cristal (une “mémoire”) pendant 20 millisecondes, une équipe de l’Université de Genève (UNIGE) a établi un record mondial et franchi une étape majeure vers le développement des réseaux de télécommunications quantiques longue distance. Cette recherche se trouve dans la revue npj Informations quantiques

Développée au cours du XXe siècle, la physique quantique a permis aux scientifiques de décrire le comportement des atomes et des particules ainsi que certaines propriétés du rayonnement électromagnétique. En rompant avec la physique classique, ces théories ont engendré une véritable révolution et introduit des notions sans équivalent dans le monde macroscopique comme la superposition, qui décrit la possibilité pour une particule d’être à plusieurs endroits à la fois, ou l’intrication, qui décrit la capacité de deux particules à s’affecter instantanément même à distance (“action fantasmagorique à distance”).

Les théories quantiques sont aujourd’hui au cœur de nombreuses recherches en cryptographie, discipline qui regroupe les techniques d’encodage d’un message. Les théories quantiques permettent de garantir une parfaite authenticité et confidentialité d’une information (un qubit) lorsqu’elle est transmise entre deux interlocuteurs par une particule de lumière (un photon) au sein d’une fibre optique. Le phénomène de superposition permet à l’émetteur de savoir immédiatement si le photon véhiculant le message a été intercepté.

Mémoriser le signal

Cependant, il existe un obstacle majeur au développement des systèmes de télécommunications quantiques longue distance : au-delà de quelques centaines de kilomètres, les photons sont perdus et le signal disparaît. Le signal ne pouvant être ni copié ni amplifié — il perdrait l’état quantique qui en garantit la confidentialité — l’enjeu est de trouver le moyen de le répéter sans l’altérer en créant des « répéteurs » basés notamment sur une mémoire quantique.

Cristal de stockage Qubit

Cristal utilisé pour le stockage de qubits photoniques et éclairé par un laser dans un cryostat, un instrument permettant d’obtenir des températures cryogéniques. Crédit : (c) Antonio Ortu

En 2015, l’équipe de Mikael Afzelius, maître de conférences au Département de physique appliquée de la Faculté des sciences de l’Université de Genève (UNIGE), a réussi à stocker un qubit porté par un photon pendant 0,5 milliseconde dans un cristal (un ‘Mémoire’). Ce processus a permis au photon de transférer son état quantique aux atomes du cristal avant de disparaître. Cependant, le phénomène n’a pas duré assez longtemps pour permettre la construction d’un plus grand réseau de mémoires, condition préalable au développement des télécommunications quantiques longue distance.

Enregistrement de stockage

Aujourd’hui, dans le cadre du programme européen Quantum Flagship, l’équipe de Mikael Afzelius est parvenue à augmenter significativement cette durée en stockant un qubit pendant 20 millisecondes. « Il s’agit d’un record mondial pour une mémoire quantique basée sur un système à l’état solide, en l’occurrence un cristal. On a même réussi à atteindre la barre des 100 millisecondes avec une petite perte de fidélité », s’enthousiasme le chercheur. Comme dans leurs travaux précédents, les scientifiques de l’UNIGE ont utilisé des cristaux dopés avec certains métaux appelés “terres rares” (l’europium en l’occurrence), capables d’absorber la lumière puis de la réémettre. Ces cristaux ont été conservés à -273,15°C ([{” attribute=””>absolute zero), because beyond 10°C above this temperature, the thermal agitation of the crystal destroys the entanglement of the atoms.

“We applied a small magnetic field of one thousandth of a Tesla to the crystal and used dynamic decoupling methods, which consist in sending intense radio frequencies to the crystal. The effect of these techniques is to decouple the rare-earth ions from perturbations of the environment and increase the storage performance we have known until now by almost a factor of 40,” explains Antonio Ortu, a post-doctoral fellow in the Department of Applied Physics at UNIGE. The results of this research constitute a major advance for the development of long-distance quantum telecommunications networks. They also bring the storage of a quantum state carried by a photon to a time scale that can be estimated by humans.

An efficient system in ten years

However, there are still several challenges to be met. “The challenge now is to extend the storage time further. In theory, it would be enough to increase the duration of exposure of the crystal to radio frequencies, but for the time being, technical obstacles to their implementation over a longer period of time prevent us from going beyond 100 milliseconds. However, it is certain that these technical difficulties can be resolved,” says Mikael Afzelius.

The scientists will also have to find ways of designing memories capable of storing more than a single photon at a time, and thus of having ‘entangled’ photons which will guarantee confidentiality. “The aim is to develop a system that performs well on all these points and that can be marketed within ten years,” concludes the researcher.

Referemce: “Storage of photonic time-bin qubits for up to 20 ms in a rare-earth doped crystal” by Antonio Ortu, Adrian Holzäpfel, Jean Etesse and Mikael Afzelius, 15 March 2022, npj Quantum Information.
DOI: 10.1038/s41534-022-00541-3

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