Le prix Nobel de physique de cette année a célébré l’intérêt fondamental de l’intrication quantique et a également envisagé les applications potentielles dans « la deuxième révolution quantique » – une nouvelle ère où nous sommes capables de manipuler l’étrangeté de la mécanique quantique, y compris la superposition et l’intrication quantiques. Un réseau quantique à grande échelle et entièrement fonctionnel est le Saint Graal des sciences de l’information quantique. Il ouvrira une nouvelle frontière de la physique, avec de nouvelles possibilités pour le calcul quantique, la communication et la métrologie.
L’un des défis les plus importants consiste à étendre la distance de communication quantique à une échelle pratiquement utile. Contrairement aux signaux classiques qui peuvent être amplifiés sans bruit, les états quantiques en superposition ne peuvent pas être amplifiés car ils ne peuvent pas être parfaitement clonés. Par conséquent, un réseau quantique hautes performances nécessite non seulement des canaux quantiques à très faibles pertes et une mémoire quantique, mais également des sources de lumière quantique hautes performances. Il y a eu récemment des progrès passionnants dans les communications quantiques par satellite et les répéteurs quantiques, mais le manque de sources à photon unique appropriées a entravé de nouvelles avancées.
Qu’est-ce qui est requis d’une source de photon unique pour les applications de réseau quantique ? Tout d’abord, il doit émettre un (un seul) photon à la fois. Deuxièmement, pour atteindre la luminosité, les sources à photon unique doivent avoir une efficacité système élevée et un taux de répétition élevé. Troisièmement, pour des applications telles que la téléportation quantique qui nécessitent d’interférer avec des photons indépendants, les photons uniques doivent être impossibles à distinguer. Les exigences supplémentaires incluent une plate-forme évolutive, une largeur de ligne réglable et à bande étroite (favorable à la synchronisation temporelle) et l’interconnectivité avec les qubits de matière.
Une source prometteuse est celle des points quantiques (QD), des particules semi-conductrices de quelques nanomètres seulement. Cependant, au cours des deux dernières décennies, la visibilité des interférences quantiques entre des QD indépendants a rarement dépassé la limite classique de 50 % et les distances ont été limitées à quelques mètres ou kilomètres environ.
Comme rapporté dans Photonique avancée, une équipe internationale de chercheurs a réalisé une interférence quantique à haute visibilité entre deux QD indépendants reliés par des fibres optiques d’environ 300 km. Ils rapportent des sources à photon unique efficaces et indiscernables avec une conversion de fréquence à photon unique accordable à très faible bruit et une transmission à fibre longue à faible dispersion.
Les photons uniques sont générés à partir de QD uniques entraînés par résonance couplés de manière déterministe à des microcavités. Les conversions de fréquence quantique sont utilisées pour éliminer l’inhomogénéité QD et décaler la longueur d’onde d’émission vers la bande des télécommunications. La visibilité des interférences observées est jusqu’à 93 %. Selon l’auteur principal Chao-Yang Lu, professeur à l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC), « des améliorations réalisables peuvent encore étendre la distance à environ 600 km ».
Lu remarque: « Notre travail a sauté des précédentes expériences quantiques basées sur QD à une échelle d’environ 1 km à 300 km, deux ordres de grandeur plus grands, et ouvre ainsi une perspective passionnante de réseaux quantiques à l’état solide. » Avec ce saut signalé, l’aube des réseaux quantiques à l’état solide pourrait bientôt commencer à se lever vers le jour.
Plus d’information:
Xiang You et al, Interférence quantique avec des sources indépendantes de photons uniques sur 300 km de fibre, Photonique avancée (2022). DOI : 10.1117/1.AP.4.6.066003