N½uds de réseau quantiques avec atomes chauds

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Une particule de lumière provenant de la source de photons uniques (en bas) est

Une particule de lumière provenant de la source de photons uniques (en bas) est stockée dans la cellule à vapeur (en haut). Une deuxième particule lumineuse émise simultanément est enregistrée par un capteur (à droite) qui active l’impulsion laser de contrôle et déclenche ainsi le processus de stockage.

Les réseaux de communication ont besoin de n½uds où les informations sont préparées ou redirigées. Des physiciens de l’Université de Bâle ont maintenant développé un n½ud pour les réseaux de communication quantiques, qui peut stocker des photons individuels dans une cellule à vapeur et les transmettre ultérieurement.

Dans les réseaux de communication quantiques, les informations sont transmises par des particules de lumière individuelles (photons). Aux points nodaux d’un tel réseau, on a besoin d’éléments tampons qui peuvent stocker brièvement les informations quantiques contenues dans les photons et les restituer ensuite.

Des chercheurs de l’Université de Bâle autour du professeur Philipp Treutlein ont développé une mémoire quantique basée sur un gaz atomique dans une cellule de verre. Les atomes n’ont pas besoin d’être refroidis, ce qui rend cette mémoire facile à fabriquer et polyvalente, par exemple pour les satellites. En outre, les chercheurs ont réalisé une source de photons uniques avec laquelle ils ont pu tester la qualité et la durée de stockage de la mémoire quantique. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue spécialisée PRX Quantum.

Des atomes chauds dans des cellules à vapeur

Cela fait vingt ans que l’on étudie les atomes chauds dans les cellules à vapeur pour savoir s’ils peuvent servir d’éléments de stockage quantiques", explique Gianni Buser, qui a participé à l’expérience en tant que doctorant. Avec une telle lumière classique, le nombre de photons qui atteignent la cellule à vapeur en un temps donné est réparti de manière statistique - en moyenne, il n’y a qu’un photon, mais parfois il y en a deux, trois ou même aucun.

Pour tester la mémoire quantique avec de la ’lumière quantique’ - c’est-à-dire toujours exactement un photon - Treutlein et ses collaborateurs ont spécialement développé une source de photons uniques qui émettent exactement une particule de lumière. Le moment exact où cela se produit est annoncé par un deuxième photon, qui est toujours émis exactement en même temps que le premier. La mémoire quantique peut ainsi être activée au bon moment.

Le photon est ensuite envoyé dans la mémoire quantique, où plus d’un milliard d’atomes de rubidium sont transformés par le photon en un état dit de superposition de deux niveaux d’énergie possibles des atomes, à l’aide d’un faisceau laser de contrôle. Le photon lui-même disparaît, mais l’information qu’il contient est transformée dans les états de superposition des atomes. Une brève impulsion lumineuse du laser de contrôle permet ensuite de lire cette information après un certain temps de stockage et de la reconvertir en photon.

Réduction des interférences lors de la lecture

Jusqu’à présent, les interférences, c’est-à-dire la lumière supplémentaire générée lors de la lecture et qui affectait la qualité du photon, constituaient un point critique", explique Roberto Mottola, également doctorant dans le laboratoire de Treutlein. Grâce à quelques astuces, les physiciens ont pu réduire ces perturbations de telle sorte qu’après des temps de stockage de plusieurs centaines de nanosecondes, la qualité du photon unique restait élevée.

Ces durées de stockage ne sont certes pas très longues, et nous ne les avons pas encore optimisées pour ce travail", explique Treutlein, "mais elles sont déjà plus de cent fois supérieures à la durée de l’impulsion à un photon stockée". La mémoire quantique des chercheurs bâlois peut donc déjà être utilisée pour des tâches intéressantes. Elle permet par exemple de synchroniser entre eux des photons uniques produits au hasard et de les utiliser ensuite pour différentes applications d’information quantique.

Publication originale

Gianni Buser, Roberto Mottola, Björn Cotting, Janik Wolters, and Philipp Treutlein Single-Photon Storage in a Ground-State Vapor Cell Quantum Memory PRX Quantum (2022). doi : 10.1103/PRXQuantum.3.020349


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