​Le grand objectif de la communauté scientifique travaillant sur les communications quantiques est de construire un grand réseau quantique. Une sorte d'internet qui serait capable, à la fois, de connecter des petits ordinateurs quantiques pour en obtenir un seul aux capacités de calcul bien supérieures, et de communiquer avec des garanties de sécurité sans précédent. Pour cela, il faut réaliser et connecter des nœuds capables de produire des bits quantiques (qubit) de communication et un qubit de mémoire pour stocker l'information quantique.

Sur la base d'un précédent résultat, une équipe de l'Université d'Innsbruck est parvenue à intriquer des photons envoyés dans des fibres optiques standard de télécommunications sur une distance de 50 km. Elle s'est appuyée sur une proposition théorique d'une architecture futuriste de réseau développée, déjà pour le précédent résultat, par un physicien de l'IPhT.

Intriquer et connecter des nœuds d'information quantique

L'idée est d'exciter simultanément deux ions calcium grâce à des fréquences laser accordées sur deux transitions énergétiques de l'ion calcium. Ainsi excités, les ions émettent chacun un photon dont les longueurs d'onde sont identiques pour les deux transitions possibles ; seules diffèrent leurs polarisations. L'indiscernabilité des deux transitions possibles induit l'intrication entre l'énergie de chacun des ions et la polarisation du photon qu'il émet. Les deux photons sont alors couplés dans des fibres optiques et détectés à distance. C'est la mesure des énergies des ions qui déclenche l'intrication entre les deux photons distants.

« La nouvelle expérience place deux ions dans un même piège. Chacun est excité pour émettre un photon dont la fréquence est convertie à la longueur d'onde des télécommunications, puis envoyé à 25 km dans des directions opposées. Une fois les photons arrivés, on manipule les ions pour intriquer les deux photons. ​À terme, cette technique permettra d'intriquer les nœuds d'un réseau quantique », explique Nicolas Sangouard de l'IPhT qui a proposé cette architecture de réseaux il y a une quinzaine d'années. Il a également réalisé une étude prospective montrant la performance du réseau qui serait obtenue à partir d'une combinaison de nœuds identiques à celui réalisé à Innsbruck ayant comme fonctionnalités :

• La production efficace des états atomes-photons intriqués ;
• Le maintien sur la durée de ces états intriqués ;
• La conversion des photons à la longueur d'onde des télécommunications pour qu'ils puissent voyager dans des fibres optiques sur de longues distances ;
  
• Manipulation des ions pour pouvoir échanger l'intrication entre plusieurs nœuds.
  

L'ensemble de ces fonctionnalités – qui ont été démontrées dans l'expérience d'Insbruck – représente un pas de plus vers la réalisation de réseaux quantiques. Une prouesse saluée par la revue Physics World qui sélectionne ce résultat dans son Top 10 2023.

​​À ​noter : l'Université d'Innsbruck et l'IPhT sont partenaires du projet Quantum Internet Alliance, coordonné par l'Université de Delft (Pays-Bas), dans le cadre du Quantum Flagship de l'Union européenne.