Une révolution pour la communication quantique longue distance
Les technologies quantiques proposent diverses voies d’expérimentation et d’innovation. En combinant expertise conceptuelle et technologique, le projet ErBeStA financé par l’UE a développé des composants de pointe pour les technologies quantiques optiques, élargissant le potentiel des paires de particules de lumière intriquées pour la communication quantique. L’objectif global d’ErBeStA était d’apporter une contribution décisive à la réalisation de la grande vision d’un «Internet quantique». L’analyseur d’état de Bell constitue un élément clé pour la conception d’ordinateurs quantiques optiques universels ainsi que pour la construction de répéteurs quantiques efficaces, qui sont une condition préalable à la communication quantique à longue distance. La conception d’un tel dispositif, capable de mesurer l’état d’une paire de photons dans une base d’états intriqués, a toujours été un enjeu crucial pour les scientifiques quantiques. Cela exige en particulier une non-linéarité optique au niveau des photons uniques, obtenue par le fort couplage de la lumière à des émetteurs de photons uniques individuels. Dans le cadre d’ErBeStA, trois systèmes différents d’émetteurs de photons uniques ont été utilisés: des atomes froids, des superatomes de Rydberg et des émetteurs quantiques à l’état solide. Pour obtenir un couplage fort aux champs lumineux, le projet a fait appel à la nanophotonique.
Dépasser les frontières de la nanophotonique
«Au cours du projet, nous avons obtenu un certain nombre de résultats importants dans le domaine des réseaux quantiques et des circuits optiques avancés», déclare le coordinateur du projet Arno Rauschenbeutel de l’Université Humboldt de Berlin. ErBeStA a permis le développement de nouveaux types améliorés de sources de lumière quantique, de nouveaux éléments optiques non réciproques (c’est-à-dire des éléments qui traitent la lumière différemment lorsqu’elle se propage vers l’avant ou vers l’arrière), de nouveaux photodétecteurs résolvant le nombre de photons et de nouveaux émetteurs de photons uniques. Toutes ces avancées sont primordiales pour les technologies optiques (quantiques). En ce qui concerne la nanophotonique, les chercheurs ont mis au point plusieurs technologies permettant de fabriquer des guides d’ondes de taille nanométrique afin d’améliorer les interactions lumière-matière. Au-delà du pur intérêt scientifique, celles-ci constituent un élément crucial pour diverses applications nouvelles et innovantes, telles que les dispositifs de détection quantique ou les commutateurs optiques actionnés par un seul atome. «Nous sommes convaincus qu’à l’avenir, ces structures favoriseront de nouvelles opportunités dans la science et la technologie quantiques», ajoute Arno Rauschenbeutel.
Des solutions technologiques quantiques révolutionnaires à fort impact
Pour faire progresser le domaine des technologies quantiques compactes, le projet a développé et mis en œuvre des systèmes de spectroscopie et de distribution de la lumière laser imprimés en 3D, ainsi que la première chambre à vide imprimée en 3D au monde. «Ces systèmes imprimés pourraient constituer une solution pour l’utilisation généralisée et le fort impact escompté des technologies quantiques pour les applications de détection. Ils sont en outre susceptibles de fournir une voie claire pour la miniaturisation et l’élargissement des fonctionnalités», explique Arno Rauschenbeutel. Au niveau conceptuel, ErBeStA a fait de nombreuses découvertes inédites applicables aux technologies futures et aux nouvelles directions de recherche. En étudiant théoriquement le couplage d’émetteurs atomiques à un guide d’ondes, les chercheurs ont étayé le potentiel des systèmes intégrés émetteur-guide d’ondes pour l’exploration des phénomènes quantiques collectifs et la génération d’états comprimés pour la métrologie quantique améliorée. Ils ont également étudié la propagation de la lumière et les non-linéarités dans les superatomes de Rydberg. Ils ont pu y montrer comment ces derniers peuvent être utilisés pour effectuer des opérations de tri des photons (c’est-à-dire pour séparer les impulsions lumineuses qui contiennent deux photons de celles qui ne contiennent qu’un seul photon) et comment cela permettra de concevoir un analyseur d’état de Bell sans recourir à des éléments non réciproques. De plus, l’équipe a développé une nouvelle approche qui fait appel à des réseaux atomiques bidimensionnels (appelés «miroirs quantiques») pour réaliser un tri déterministe des photons et une analyse d’état de Bell. Les schémas conçus présentent actuellement les seules méthodes déterministes pouvant être appliquées en mode passif, c’est-à-dire sans connaissance préalable du moment d’arrivée des photons.
Mots‑clés
ErBeStA, analyseur d’état de Bell, émetteurs quantiques, communication quantique à longue distance, nanophotonique, technologie quantique
