Nœuds de réseau quantique avec des atomes chauds

Dans les réseaux de communication quantiques, les informations sont transmises par des particules uniques de lumière (photons). Aux nœuds d’un tel réseau, des éléments tampons sont nécessaires pour stocker temporairement, puis réémettre ultérieurement, l’information quantique contenue dans les photons.

Des chercheurs de l’Université de Bâle du groupe du professeur Philipp Treutlein ont maintenant développé une mémoire quantique basée sur un gaz atomique à l’intérieur d’une cellule de verre. Les atomes n’ont pas besoin d’être spécialement refroidis, ce qui rend la mémoire facile à produire et polyvalente, même pour les applications satellitaires. De plus, les chercheurs ont réalisé une source de photons unique qui leur a permis de tester la qualité et le temps de stockage de la mémoire quantique. Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique PRX Quantique.

Atomes chauds dans les cellules à vapeur

“La pertinence des atomes chauds dans les cellules à vapeur pour les mémoires quantiques a été étudiée au cours des vingt dernières années”, explique Gianni Buser, qui a travaillé sur l’expérience en tant que doctorant. “En général, cependant, des faisceaux laser atténués – et donc de la lumière classique – étaient utilisés.” En lumière classique, le nombre de photons frappant la cellule à vapeur pendant une certaine période suit une distribution statistique ; en moyenne, c’est un photon, mais parfois il peut y en avoir deux, trois ou aucun.

Pour tester la mémoire quantique avec la “lumière quantique” – c’est-à-dire toujours précisément un photon – Treutlein et ses collègues ont développé une source de photon unique dédiée qui émet exactement un photon à la fois. L’instant où cela se produit est annoncé par un deuxième photon, qui est toujours émis simultanément avec le premier. Cela permet à la mémoire quantique d’être activée au bon moment.

Le photon unique est ensuite dirigé dans la mémoire quantique où, à l’aide d’un faisceau laser de contrôle, le photon fait prendre à plus d’un milliard d’atomes de rubidium un état dit de superposition de deux niveaux d’énergie possibles des atomes. Le photon lui-même disparaît dans le processus, mais l’information qu’il contient est transformée en l’état de superposition des atomes. Une brève impulsion du laser de contrôle peut alors lire cette information après un certain temps de stockage et la retransformer en photon.

Réduction du bruit de lecture

“Jusqu’à présent, un point critique a été le bruit – la lumière supplémentaire qui est produite lors de la lecture et qui peut compromettre la qualité du photon”, explique Roberto Mottola, un autre doctorant du laboratoire de Treutlein. En utilisant quelques astuces, les physiciens ont réussi à réduire suffisamment ce bruit pour qu’après des temps de stockage de plusieurs centaines de nanosecondes, la qualité du photon unique soit toujours élevée.

“Ces temps de stockage ne sont pas très longs, et nous ne les avons pas réellement optimisés pour cette étude”, explique Treutlein, “mais ils sont déjà plus de cent fois plus longs que la durée de l’impulsion de photon unique stockée.” Cela signifie que la mémoire quantique développée par les chercheurs bâlois peut déjà être utilisée pour des applications intéressantes. Par exemple, il peut synchroniser des photons uniques produits de manière aléatoire, qui peuvent ensuite être utilisés dans diverses applications d’information quantique.

Source de l’histoire :

Matériaux fourni par Université de Bâle. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.