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Jun 07, 2023

Les ordinateurs quantiques pourraient bientôt se connecter sur de plus longues distances

Bartlomiej Wroblewski/iStock En vous abonnant, vous acceptez nos conditions d'utilisation et nos politiques. Vous pouvez vous désinscrire à tout moment. Saviez-vous que les transmissions quantiques ne peuvent pas être amplifiées au-dessus d'une ville ou d'un océan ?

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Saviez-vous que les transmissions quantiques ne peuvent pas être amplifiées au-dessus d'une ville ou d'un océan comme les signaux de données conventionnels ? Au lieu de cela, ils doivent être répétés périodiquement à l’aide de dispositifs spécialisés appelés répéteurs quantiques.

Pour que cette technologie soit utilisée dans les futurs réseaux de communication, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode de connexion d’appareils quantiques sur de grandes distances.

Étant donné que les répéteurs sont sur le point de devenir cruciaux pour connecter des ordinateurs quantiques distants et améliorer la sécurité des réseaux de communication à l'avenir, une équipe de chercheurs de Princeton a détaillé une nouvelle approche pour construire des répéteurs quantiques dans leur étude publiée dans la revue Nature le 30 août.

L'idée implique des répéteurs qui transmettent une lumière compatible avec les télécommunications grâce à un ion inséré dans un cristal.

Le spectre visible, émis par certains autres systèmes de répéteurs quantiques populaires, se dégrade rapidement à travers la fibre optique et doit être transformé avant d'être envoyé sur de grandes distances.

Selon Jeff Thompson, l'auteur principal de l'article, un seul ion de terre rare implanté dans un cristal hôte sert de base au nouveau gadget. De plus, comme cet ion produit de la lumière à une longueur d’onde infrarouge parfaite, il n’a pas besoin de convertir les signaux, ce qui peut donner lieu à des réseaux plus simples et plus fiables.

"Cet effort a duré de nombreuses années. Les travaux combinaient les progrès de la conception photonique et de la science des matériaux", a déclaré Thompson dans un communiqué de presse.

La conception du dispositif comporte deux composants, une tranche nanoscopique de silicium gravée dans un canal en forme de J et un cristal de tungstate de calcium dopé avec un petit nombre d'ions erbium. L'ion émet de la lumière à travers le cristal lorsqu'il est pulsé par un laser unique.

Cependant, le composant en silicium, un minuscule fouet semi-conducteur fixé à la pointe du cristal, piège et dirige les photons individuels dans le câble à fibre optique.

L’équipe explique que, idéalement, les informations provenant de l’ion seraient intégrées dans ce photon. Ou, pour être plus précis, du spin de l'ion, un attribut quantique. L'intrication entre les spins de nœuds distants serait créée dans un répéteur quantique en rassemblant et en interférant avec les signaux de ces nœuds, permettant ainsi la transmission de bout en bout des états quantiques malgré les pertes de transmission.

L’équipe a commencé ses travaux sur les ions erbium plusieurs années auparavant, mais les cristaux utilisés dans leur version précédente produisaient un bruit important. "Ce bruit faisait varier la fréquence des photons émis de manière aléatoire dans un processus connu sous le nom de diffusion spectrale."

Parmi des centaines de milliers de documents potentiels, ils ont réduit la liste à quelques centaines, puis une douzaine, puis trois. Les tests pour chacun des trois finalistes ont duré six mois. L’équipe s’est concentrée sur le cristal de tungstate de calcium pour obtenir des résultats optimaux.

L'équipe a utilisé un interféromètre, qui fusionne deux ou plusieurs sources de lumière pour créer un motif d'interférence, pour prouver que les ions erbium contenus dans le nouveau matériau émettent des photons indiscernables et que cela « place le signal bien au-dessus du seuil hi-fi ».

Bien que cette étude franchisse un seuil important, l’équipe travaille désormais à prolonger la période pendant laquelle les états quantiques peuvent être stockés dans le spin de l’ion erbium. Le groupe s’efforce désormais de produire du tungstate de calcium plus purifié et contenant moins de contaminants qui interfèrent avec les états de spin quantique.

L'étude complète a été publiée dans Nature le 30 août et peut être consultée ici.

Abstrait

Les défauts atomiques à l’état solide sont un élément clé des réseaux de répéteurs quantiques pour la communication quantique longue distance1. Récemment, les ions de terres rares, en particulier Er3+, ont suscité un intérêt considérable pour leur transition optique dans la bande de télécommunications qui permet une transmission longue distance dans des fibres optiques. Cependant, le développement de nœuds répéteurs basés sur des ions de terres rares a été entravé par la diffusion spectrale optique, empêchant la génération de photons uniques indiscernables. Ici, nous implantons Er3+ dans CaWO4, un matériau qui combine une symétrie de site non polaire, une faible décohérence des spins nucléaires et est exempt d'ions de terres rares de fond, pour réaliser une diffusion spectrale optique considérablement réduite. Pour les ions implantés peu profonds couplés à des cavités nanophotoniques avec un facteur de Purcell élevé, nous observons des largeurs de raie optique à balayage unique de 150 kHz et une diffusion spectrale à long terme de 63 kHz, toutes deux proches de la largeur de raie radiative améliorée par Purcell de 21 kHz. Cela permet l'observation de l'interférence Hong – Ou – Mandel entre photons émis successivement avec une visibilité de V = 80 (4) %, mesurée après une ligne à retard de 36 km. Nous observons également des temps de relaxation de spin T1,s = 3,7 s et T2,s > 200 μs, ces derniers étant limités par les impuretés paramagnétiques du cristal au lieu des spins nucléaires. Cela représente une étape notable vers la construction de réseaux de répéteurs quantiques en bande de télécommunications avec des ions Er3+ uniques.