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Posté par Redbran le Mardi 17/04/2018 à 00:00
Sécuriser le stockage de bits quantiques
Des physiciens ont stocké des photons avec une efficacité record au sein d’un nuage allongé d’atomes froids. Cela permet pour la première fois de sécuriser le stockage et la relecture de bits quantiques.


Stocker efficacament des bits quantiques au sein d’un large ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme...) d’atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) froids. Un bit quantique est encodé dans l’état de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait...) d’un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique....) par des lames à retard de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :). Le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes...) est ensuite séparé en deux canaux de polarisations orthogonales qui traversent tous deux un ensemble d’atomes froids très allongé. Un faisceau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) additionnel permet de contrôler le stockage et la relecture. Par rapport aux expériences jusqu’alors réalisées, l’expérience du LKB combine une très large absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition...) du milieu d’atomes froids, un multiplexage (Le multiplexage est une technique qui consiste à faire passer deux ou plusieurs informations à travers un seul support de transmission.) efficace et un bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...) très faible. © Laboratoire Kastler Brossel (CNRS/Sorbonne Université/ENS Paris/Collège de France)

Être capable de stocker l’information quantique dans des mémoires et la relire à la demande est une étape clé pour les futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) réseaux quantiques. Ces mémoires permettent de synchroniser des bits quantiques, pour leur utilisation par exemple dans des protocoles de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications,...) quantique à grande distance ou des algorithmes de calcul. Ces dispositifs sont réalisés aujourd’hui dans diverses plateformes qui permettent le contrôle de l’interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) entre le porteur de l’information, généralement un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...), et un support matériel de stockage.

On compte parmi ces plateformes des atomes et ions uniques, piégés dans des cavités optiques, ou bien de grands ensembles d’atomes identiques, dans des vapeurs chaudes ou sous forme de nuages refroidis par des lasers. Il existe également des mémoires basées sur des cristaux solides dopés par des ions figés en leur sein.

Cependant, jusqu’à présent, aucune mémoire n’avait permis de stocker puis de récupérer un bit quantique plus de 30 % du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Cette efficacité limitée réduisait la performance des dispositifs quantiques développés, mais surtout, puisque c’est moins d’une fois sur deux, cela empêchait de prouver la confidentialité de l’information stockée et la sécurité des protocoles. Pour la première fois, des chercheurs du Laboratoire Kastler Brossel (LKB, CNRS/ Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le...) Université/ENS/Collège de France) viennent de réaliser un tel stockage avec une efficacité record de 70 %, ce qui rend possible le stockage quantique sécurisé.

Dans cette expérience, la mémoire quantique repose sur la conversion du qubit (On nomme qubit (quantum + bit ; prononcé /kyoobit/), parfois écrit qbit, l'état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique. Il se compose d'une...) photonique en une excitation atomique dans un ensemble d’atomes de césium refroidis par laser. Un faisceau laser de contrôle rend le milieu transparent, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en ralentissant la lumière les traversant ; lorsque la lumière est contenue dans l’ensemble et le faisceau de contrôle éteint, l’information est convertie en une excitation collective, stockée jusqu’au rallumage du faisceau de contrôle. Cette technique maitrisée au LKB avait déjà permis plusieurs démonstrations ces dernières années, mais son efficacité dépend du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d’atomes mis en jeu. Les chercheurs du LKB ont ainsi réalisé un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de...) très allongé d’atomes froids, de près de 3 cm de long, permettant cette forte interaction. Cependant, une telle compression du nuage rend généralement difficile le stockage de bits quantiques qui nécessite, par exemple, de définir plusieurs chemins au sein du nuage. Dans un nouveau dispositif, les physiciens ont réussi à combiner ces différents ingrédients, tout en conservant un niveau de bruit très faible.

L’information correspondant à un bit quantique est encodée dans la polarisation d’un photon. Les polarisations horizontale et verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.), qui forment une base orthogonale des états de polarisation, sont alors séparés, via un diviseur (En mathématiques, un nombre entier d est un diviseur d'un entier n lorsque la division euclidienne de n par d donne un reste égal à zéro. Autrement dit, il existe un entier q tel que n =...) de faisceau en calcite, en deux chemins espacés de 4 millimètres puis focalisés sur le nuage atomique où l’information est ralentie et stockée. Après un temps de stockage réglable jusqu’à une vingtaine de microsecondes, la lumière récupérée à chaque bras de la mémoire est recombinée en un unique faisceau. Une efficacité record de 70 % a été obtenue tout en préservant une fidélité avec le bit quantique initial au-delà de 99 %. Ce travail a été publié le 25 janvier 2018 dans la revue Nature Communications.


Vue d’artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :). © Laboratoire Kastler Brossel (CNRS/Sorbonne Université/ENS Paris/Collège de France)

Référence publication:
Highly-efficient quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce soit celle de l'énergie, de la...) memory for polarization qubits in a spatially-multiplexed cold atomic ensemble
P. Vernaz-Gris, K. Huang, M. Cao, A. S. Sheremet et J. Laurat
Nature Communications (2018), doi:10.1038/s41467-017-02775-8
Retrouvez l’article sur les bases d’archives ouvertes arXiv

Contact chercheur:
Julien Laurat, Professeur à Sorbonne Université

Informations complémentaires:
Laboratoire Kastler Brossel (LKB, CNRS/Sorbonne Université/ENS Paris/Collège de France)

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Source: CNRS-INP