Forskere gemmer en kvantebit i rekordbrækkende 20 millisekunder

Computere, smartphones, GPS:Kvantefysik har muliggjort mange teknologiske fremskridt. Det åbner nu op for nye forskningsfelter inden for kryptografi (kunsten at kode meddelelser) med det formål at udvikle ultrasikre telekommunikationsnetværk. Der er dog én forhindring:Efter et par hundrede kilometer inden for en optisk fiber forsvinder de fotoner, der bærer qubits eller "kvantebits" (informationen). De har derfor brug for "repeatere", en slags "relæ", som til dels er baseret på en kvantehukommelse. Ved at formå at gemme en qubit i en krystal (en "hukommelse") i 20 millisekunder, har et hold fra Universitetet i Genève (UNIGE) sat verdensrekord og taget et stort skridt i retning af udviklingen af ​​langdistance kvantetelekommunikationsnetværk. Denne forskning kan findes i tidsskriftet npj Quantum Information .

Kvantefysikken blev udviklet i løbet af det 20. århundrede og har gjort det muligt for forskere at beskrive adfærden af ​​atomer og partikler samt visse egenskaber ved elektromagnetisk stråling. Ved at bryde med klassisk fysik genererede disse teorier en reel revolution og introducerede forestillinger uden ækvivalent i den makroskopiske verden, såsom superposition, der beskriver muligheden for en partikel at være flere steder på én gang, eller sammenfiltring, som beskriver to partiklers evne. at påvirke hinanden øjeblikkeligt selv på afstand ("uhyggelig handling på afstand").

Kvanteteorier er nu kernen i megen forskning i kryptografi, en disciplin, der samler teknikker til kodning af et budskab. Kvanteteorier gør det muligt at garantere perfekt ægthed og fortrolighed for information (en qubit), når den transmitteres mellem to samtalepartnere af en partikel af lys (en foton) i en optisk fiber. Fænomenet superposition lod afsenderen straks vide, om fotonen, der formidler beskeden, er blevet opsnappet.

Hukommelse af signalet

Der er dog en stor hindring for udviklingen af ​​langdistance kvantetelekommunikationssystemer:ud over et par hundrede kilometer går fotonerne tabt, og signalet forsvinder. Da signalet ikke kan kopieres eller forstærkes – det ville miste den kvantetilstand, der garanterer dets fortrolighed – er udfordringen at finde en måde at gentage det på uden at ændre det ved at skabe "repeatere" baseret, især på en kvantehukommelse.

I 2015 lykkedes det for holdet ledet af Mikael Afzelius, en lektor ved Institut for Anvendt Fysik ved Det Naturvidenskabelige Fakultet ved Universitetet i Genève (UNIGE), at lagre en qubit båret af en foton i 0,5 millisekunder i en krystal (en "hukommelse"). Denne proces gjorde det muligt for fotonen at overføre sin kvantetilstand til krystallens atomer, før den forsvandt. Fænomenet varede dog ikke længe nok til at tillade opbygningen af ​​et større netværk af minder, en forudsætning for udviklingen af ​​langdistance kvantekommunikation.

Lagerpost

I dag, inden for rammerne af European Quantum Flagship-program, har Mikael Afzelius' team formået at øge denne varighed betydeligt ved at gemme en qubit i 20 millisekunder. "Dette er en verdensrekord for en kvantehukommelse baseret på et solid-state system, i dette tilfælde en krystal. Det er endda lykkedes os at nå 100 millisekunders mærket med et lille tab af troskab," entusiasmerer forskeren. Som i deres tidligere arbejde brugte UNIGE-forskerne krystaller dopet med visse metaller kaldet "sjældne jordarter" (europium i dette tilfælde), der er i stand til at absorbere lys og derefter genudsende det. Disse krystaller blev holdt ved -273,15°C (absolut nul), fordi ud over 10°C over denne temperatur ødelægger den termiske omrøring af krystallen sammenfiltringen af ​​atomerne.

"Vi påførte et lille magnetfelt på en tusindedel af en Tesla på krystallen og brugte dynamiske afkoblingsmetoder, som består i at sende intense radiofrekvenser til krystallen. Effekten af ​​disse teknikker er at afkoble de sjældne jordarters ioner fra forstyrrelser af miljø og øge den lagringsydelse, vi har kendt indtil nu, med næsten en faktor 40," forklarer Antonio Ortu, en post-doc stipendiat ved Institut for Anvendt Fysik ved UNIGE. Resultaterne af denne forskning udgør et stort fremskridt for udviklingen af ​​langdistance kvantetelekommunikationsnetværk. De bringer også lagringen af ​​en kvantetilstand båret af en foton til en tidsskala, der kan estimeres af mennesker.

Et effektivt system på 10 år

Der er dog stadig flere udfordringer, der skal løses. "Udfordringen er nu at forlænge lagringstiden yderligere. I teorien ville det være nok at øge varigheden af ​​eksponeringen af ​​krystallen for radiofrekvenser, men foreløbig forhindrer tekniske forhindringer for deres implementering over længere tid. os fra at gå ud over 100 millisekunder. Det er dog sikkert, at disse tekniske problemer kan løses," siger Mikael Afzelius.

Forskerne bliver også nødt til at finde måder at designe minder på, der er i stand til at lagre mere end en enkelt foton ad gangen, og dermed have "sammenfiltrede" fotoner, som garanterer fortrolighed. "Målet er at udvikle et system, der klarer sig godt på alle disse punkter, og som kan markedsføres inden for ti år," slutter forskeren. + Udforsk yderligere

At kæde atomer sammen giver kvantelagring