Un gain de performances dans les mémoires quantiques intégrées à la fibre

Les mémoires quantiques sont l’un des éléments constitutifs du futur Internet quantique. Sans eux, il serait plutôt impossible de transmettre des informations quantiques sur de longues distances et de se développer en un véritable réseau quantique. Ces mémoires ont pour mission de recevoir l’information quantique encodée dans un photon sous forme de qubits, de la stocker puis de la récupérer. Les mémoires quantiques peuvent être réalisées dans différents systèmes matériels, par exemple des ensembles d’atomes froids ou des cristaux dopés.

Pour être des mémoires utiles, elles doivent répondre à plusieurs exigences, telles que l’efficacité, la durée et le multiplexage de leur capacité de stockage, afin d’assurer la qualité de la communication quantique qu’elles supporteront. Une autre exigence qui fait l’objet de nombreuses recherches est la conception de mémoires quantiques directement intégrables dans le réseau de fibre optique.

Ces dernières années et avec le boom des technologies quantiques, de nombreux travaux ont été orientés vers l’amélioration de l’évolutivité des mémoires quantiques existantes (en faire des dispositifs plus petits et/ou plus simples) afin de faciliter leur intégration et leur déploiement dans un réseau de travail réel. Une telle approche entièrement intégrée s’accompagne de plusieurs obstacles physiques et techniques, notamment la recherche d’une solution qui préserve de bonnes propriétés de cohérence, la fourniture d’un système efficace et stable pour transférer les photons des fibres optiques vers la mémoire quantique, ainsi que la miniaturisation du système de contrôle de la mémoire quantique et son interface avec la lumière entrante. Tout cela doit être réalisé en atteignant le même niveau de performances obtenu dans les versions « standard » de masse de l’appareil. Jusqu’à présent, cela s’est avéré difficile, et les réalisations actuelles des mémoires quantiques intégrées à la fibre sont loin de ce qui peut être atteint dans les mémoires de masse.

Avec ces objectifs clairs, dans un travail récent publié dans Avancées scientifiquesles chercheurs de l’ICFO Jelena Rakonjac, Dario Lago-Rivera, Alessandro Seri et Samuele Grandi, dirigés par le professeur ICREA de l’ICFO Hugues de Riedmatten, en collaboration avec Giacomo Corrielli et Roberto Osellame de l’IFN-CNR et Margherita Mazzera de l’Université Heriot-Watt, ont pu démontrer l’intrication entre une mémoire quantique intégrée à la fibre et un photon de longueur d’onde de télécommunications.

Une mémoire quantique spéciale

Dans leur expérience, l’équipe a utilisé un cristal dopé au praséodyme comme mémoire quantique. Un guide d’ondes a ensuite été gravé au laser à l’intérieur de la mémoire. Il s’agit d’un canal micrométrique à l’intérieur du cristal qui confine et guide le photon dans un espace restreint. Deux fibres optiques identiques ont ensuite été fixées de part et d’autre du cristal pour fournir une interface directe entre les photons porteurs d’informations quantiques et la mémoire. Ce montage expérimental a permis une connexion tout fibre entre la mémoire quantique et une source de photons.

Pour prouver que cette mémoire quantique intégrée peut stocker l’intrication, l’équipe a utilisé une source de paires de photons intriqués où un photon est compatible avec la mémoire, tandis que l’autre est à la longueur d’onde des télécommunications. Avec cette nouvelle configuration, ils ont pu stocker des photons de 2 µs à 28 µs et préserver l’intrication des paires de photons après stockage. Le résultat obtenu est une amélioration majeure car le temps de stockage d’intrication montré par l’équipe est 1 000 fois plus long (trois ordres de grandeur) que tout autre dispositif intégré à la fibre utilisé jusqu’à présent, se rapprochant des performances observées dans les mémoires quantiques de masse.

Cela a été possible grâce à la nature entièrement intégrée de l’appareil, qui a permis l’utilisation d’un système de contrôle plus sophistiqué que les réalisations précédentes. Enfin, comme l’intrication était partagée entre un photon visible stocké dans la mémoire quantique et un photon aux longueurs d’onde des télécommunications, l’équipe a également prouvé que le système est entièrement compatible avec les infrastructures de télécommunications et adapté à la communication quantique longue distance.

La démonstration de ce type de mémoire quantique intégrée ouvre de nombreuses nouvelles possibilités, notamment en matière de multiplexage, d’évolutivité et d’intégration plus poussée. Comme le souligne Jelena Rakonjac, « cette expérience nous a donné de grands espoirs dans le sens où nous envisageons que de nombreux guides d’ondes peuvent être fabriqués dans un cristal, ce qui permettrait à de nombreux photons d’être stockés simultanément dans une petite région et de maximiser les caractéristiques de capacité du mémoire quantique. Étant donné que l’appareil est déjà couplé à la fibre, il peut également être plus facilement interfacé avec d’autres composants à base de fibre.

Hugues de Riedmatten conclut en déclarant que « nous sommes ravis de ce résultat qui ouvre de nombreuses possibilités pour les mémoires intégrées par fibre. Ce qui est clair, c’est que ce matériau particulier et cette façon de créer des guides d’ondes nous permettent d’atteindre des performances proches des mémoires de masse. À l’avenir, l’extension du stockage aux états de spin permettra la récupération à la demande des photons stockés et conduira aux longs temps de stockage que nous visons. Cette mémoire quantique intégrée à la fibre est définitivement très prometteuse pour une utilisation future dans les réseaux quantiques.