Les informations d'intrication quantique peuvent être transmises via un répéteur quantique basé sur des photons de 50 km de long, des ions piégés. Au cours des 50 dernières années, les réseaux de communication ont complètement changé notre société et nous avons maintenant du mal à imaginer la vie sans eux. Les scientifiques sont enthousiasmés par la possibilité de connecter des dispositifs quantiques à des réseaux grâce aux récentes avancées des technologies quantiques. La communication quantique longue distance annonce la possibilité de capacités non disponibles dans les réseaux traditionnels. Les réseaux quantiques échangent des signaux au niveau du photon unique pour tirer pleinement parti de l'intrication et d'autres effets quantiques. Par conséquent, la principale cause de défaillance de ces systèmes est l'atténuation des fibres.
Cependant, la perte de photons peut être évitée en utilisant un groupe de nœuds de réseau intermédiaires appelés répéteurs quantiques qui enchevêtrent directement les deux nœuds de maillage dispersés. L'enchevêtrement de deux nœuds de maille séparés de 32 m a été récemment réalisé à l'aide d'un répéteur quantique basé sur des centres de vide d'azote dans le diamant. En utilisant des ions piégés comme répéteurs quantiques, Victor Krutyanskiy de l'Université d'Innsbruck en Autriche et ses collègues ont pu combiner deux liaisons intriquées de 25 km de long en une seule liaison de 50 km de long. Cette distance est le type de distance requis par les réseaux quantiques fonctionnels dans le monde réel.
L'importance du succès de Krutyanskiy et de ses collègues peut être comprise, étant donné les trois propriétés idéales que les répéteurs quantiques fonctionnels devraient posséder. Le premier d'entre eux est d'avoir accès à la mémoire quantique [5]. La méthode de génération d'intrication à distance n'est pas claire en raison de la perte de photons et d'autres insuffisances matérielles. Si une connexion de bout en bout ne pouvait être établie que si toutes les connexions à courte distance réussissaient simultanément, le taux de réussite global serait exponentiellement faible. Les mémoires quantiques stockent l'enchevêtrement à courte portée, permettant aux connexions échouées de répéter les tentatives d'enchevêtrement.
L'« ajout » d'intrication dépend de la troisième propriété recherchée. Une mémoire quantique fixe et un photon "volant" voyageant le long de la fibre s'enchevêtrent grâce au répéteur. Il répète le processus en utilisant une nouvelle mémoire pour créer un deuxième photon volant. Deux liens intriqués séparés sont créés en envoyant deux photons à deux nœuds de réseau distants différents. Le répéteur utilise ensuite un processus connu sous le nom d'échange d'enchevêtrement pour combiner ces liens. Pour maintenir le taux de réussite global inestimable de l'intrication de bout en bout, le processus de défragmentation doit être déterministe plutôt que probabiliste.
Ces trois fonctionnalités ont été combinées en un seul système par Krutyanskiy et son équipe. Ils ont également déployé un enchevêtrement entre deux nœuds de réseau A et B, distants de 50 km, une distance appropriée pour les utilisations pratiques des réseaux quantiques. L'équipe a réussi cet exploit en capturant deux ions calcium 40Ca+ et en les utilisant comme deux mémoires quantiques. Les deux ions sont d'abord initialisés à leur état fondamental, puis illuminés à plusieurs reprises avec des impulsions laser dans le cadre du protocole de répéteur. Les ions reçoivent suffisamment d'énergie du laser pour monter à un état d'énergie plus élevé. À la suite de la désintégration ultérieure des ions, chaque ion émet un photon, qui maintient la paire ion-photon intriquée.
Les photons sont collectés dans un convertisseur de longueur d'onde, un dispositif qui convertit la longueur d'onde d'origine des photons émis en une longueur d'onde de télécommunication appropriée pour leur déplacement ultérieur. Les deux photons sont ensuite dirigés vers les nœuds A et B à l'aide de bobines de fibre optique de 25 km de long. L'intrication ion-photon est ensuite convertie par le répéteur en une intrication photon-photon s'étendant sur 50 km en effectuant un échange d'intrication déterministe sur les deux ions qu'il contient.
En répétant à plusieurs reprises la distribution de l'intrication et en mesurant les photons aux nœuds A et B, la tomographie d'état peut déterminer l'état photon-photon final et créer une mesure statistique de la fidélité de l'état photon-photon partagé.
Une situation idéale parfaite est représentée par la fidélité unitaire. Les nœuds A et B ont pu réaliser un enchevêtrement avec un taux de réussite de 9,2 Hz et une probabilité de succès de 9,2 par essai, ce qui donne une fidélité de 104. Cette fidélité est bien supérieure au 0,72 requis pour l'intrication des photons. Les chercheurs ont également mené une expérience dans laquelle l'intrication photon-photon était répartie sur une distance de 0,5 km sans utiliser de répéteur. L'avantage d'utiliser des techniques assistées par répéteur est clairement démontré par le faible taux de réussite de 50 Hz. Aux distances de travail de l'expérience, cet avantage peut sembler insignifiant. Cependant, à des distances supérieures à 6,7 km, le taux de réussite chute considérablement lorsqu'il n'y a pas de répéteurs.
Dans son analyse, l'équipe d'Innsbruck a examiné à quel point les paramètres expérimentaux devraient être meilleurs pour que plusieurs répéteurs couplés couvrent une distance de bout en bout de 800 km. Étonnamment, peu de modifications doivent être apportées à de nombreuses fonctionnalités. L'amélioration la plus significative est requise dans le modificateur d'intrication de photons non déterministe nécessaire pour interconnecter plusieurs répéteurs. Les chercheurs présentent des arguments solides pour expliquer pourquoi les améliorations sont réalisables dans un proche avenir.
Des exemples expérimentaux passionnants de communication quantique ont eu lieu récemment. À la lumière des capacités à longue distance démontrées dans ces études, il est clair que les réseaux quantiques progressent rapidement des concepts théoriques aux applications pratiques. Il est très important de se souvenir de deux leçons importantes tirées d'Internet, qui est un réseau traditionnel. Tout d'abord, disposer d'un bon équipement ne suffit pas pour permettre une communication à l'échelle mondiale. Cependant, une architecture logicielle robuste est nécessaire. Deuxièmement, un bon logiciel met beaucoup de temps à mûrir. Pour que le matériel et les logiciels fonctionnent en tandem, les physiciens et les technologues collaborent pour créer des protocoles de couche de liaison personnalisés et des architectures complètes pour l'Internet quantique du futur.
Source : physics.aps.org/articles/v16/84
Günceleme: 23/05/2023 12:58