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Posté par Adrien le Lundi 30/07/2018 à 00:15
L'ytterbium, la mémoire quantique de demain
La communication et la cryptographie quantiques sont l'avenir de la communication hautement sécurisée. Mais il reste à relever de nombreux défis avant la mise sur pied d'un réseau quantique mondial, notamment la propagation du signal quantique sur de longues distances. Un défi majeur consiste à créer des mémoires capables de stocker l'information quantique portée par la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...). Des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Genève (UNIGE), en collaboration avec le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), ont découvert un nouveau matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) dans lequel un élément, l'ytterbium, est capable de stocker et protéger la fragile information quantique, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en fonctionnant à des fréquences élevées. Cela en fait un candidat idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la...) pour des futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) réseaux quantiques, dont l'objectif est de propager le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des...) sur de longues distances en servant de répéteurs. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Materials.

Aujourd'hui, la cryptographie quantique (La cryptographie quantique est une tentative de mise en œuvre des prédicats de la mécanique quantique afin d'assurer la confidentialité, l'intégrité et/ou la non-interception de transmissions de données....) passe par la fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les...), sur quelques centaines de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.). Elle est caractérisée par son aspect de haute sécurité: il est en effet impossible de copier les informations ou de les intercepter sans les faire disparaître. Toutefois, cette impossibilité de copier le signal empêche aussi les scientifiques de l'amplifier pour le diffuser sur de longues distances, comme c'est le cas avec le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit...) wifi.

Trouver le bon matériau pour confectionner les mémoires quantiques

Le signal ne pouvant être ni copié ni amplifié sous peine de disparaître, les scientifiques se penchent actuellement sur la fabrication de mémoires quantiques capables de le répéter en capturant les photons et en les synchronisant entre eux afin de les diffuser toujours plus loin. Reste à trouver le matériau approprié pour confectionner ces mémoires quantiques. "Toute la difficulté est de trouver un matériau capable d'isoler l'information quantique portée par les photons des perturbations environnementales pour que l'on puisse les retenir environ une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...) et les synchroniser entre eux, explique Mikael Afzelius, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et...) au Département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien,...) appliquée de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Or, en une seconde, un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue...) parcourt environ 300 000 km!" Les physiciens et les chimistes doivent donc trouver un matériau très bien isolé des perturbations, mais capable de fonctionner à des hautes fréquences permettant de stocker et restituer le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se...) rapidement, deux caractéristiques souvent considérées comme étant incompatibles.

Un point magique pour le graal des terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium 21Sc, l'yttrium 39Y et les quinze lanthanides.)

Aujourd'hui, il existe déjà des prototypes de mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) quantique testés en laboratoire, notamment à base de terres rares comme l'europium ou le praséodyme, mais leur vitesse (On distingue :) n'est pas encore assez élevée. "Nous nous sommes alors intéressés à une terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...) rare du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique qui avait été très peu étudiée, l'ytterbium", expose Nicolas Gisin, professeur au Département de physique appliquée de la Faculté des sciences de l'UNIGE et fondateur d'ID Quantique. "Notre objectif est de trouver le matériau idéal pour la confection des répéteurs quantiques, et cela passe par l'isolation des 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...) de leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une...) qui a tendance à perturber le signal", complète-t-il. Cela semble être le cas avec l'ytterbium !

En soumettant cette terre rare à des champs magnétiques très précis, les physiciens de l'UNIGE et du CNRS ont découvert qu'elle entre dans un état d'insensibilité qui la coupe des perturbations de son environnement et qui permet de piéger le photon pour le synchroniser. "Nous avons trouvé un "point magique" en variant l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) et la direction du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout...), s'enthousiasment Alexey Tiranov, chercheur au Service de physique appliquée de la Faculté des sciences de l'UNIGE, et Philippe Goldner, chercheur à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du...) (CNRS/Chimie ParisTech). Lorsque ce point est atteint, on augmente d'un facteur 1 000 les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de cohérence des atomes d'ytterbium, tout en travaillant à des hautes fréquences!"

Les avantages de l'ytterbium

Les physiciens sont actuellement en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs wagons (pour transporter des marchandises),...) de construire des mémoires quantiques à base d'ytterbium qui permettent de réaliser rapidement les transitions d'un répéteur (Le répéteur , encore appelé répéteur-régénérateur est un matériel électronique servant à amplifier un signal numérique, et ainsi étendre...) à l'autre, tout en gardant le photon le plus longtemps possible pour effectuer la synchronisation nécessaire. "Ce matériau ouvre un nouveau champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) des possibles dans la création d'un réseau quantique mondial et souligne l'importance de poursuivre des recherches fondamentales en parallèle à des recherches plus appliquées, comme la création d'une mémoire quantique", conclut Mikael Afzelius.

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Source: CNRS
 
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