Ytterbium :révolutionner les réseaux quantiques longue distance

• Les matériaux à base d'ytterbium peuvent amplifier les signaux quantiques pour les diffuser sur de longues distances.
• Le matériau peut préserver les photons (transportant des données quantiques) des perturbations externes afin qu'ils puissent être synchronisés.

La cryptographie quantique vise à permettre aux utilisateurs de communiquer via des techniques plus sécurisées que celles garanties par la cryptographie conventionnelle. Actuellement, il utilise la fibre optique sur des centaines de kilomètres et permet d'accomplir de nombreuses tâches cryptographiques qui s'avèrent impossibles avec les systèmes de communication traditionnels.

Il est impossible de copier le signal codé dans un état quantique :si quelqu’un essaie de lire les données codées, il change d’état (disparaît). Cependant, ce même fait empêche également les chercheurs d’amplifier le signal pour le diffuser sur de plus longues distances. Le défi majeur est de construire une mémoire capable de contenir les données quantiques transportées par la lumière.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Genève, en Suisse, ont découvert un élément capable de stocker les données quantiques fragiles sans les déformer à hautes fréquences.

Rechercher le bon matériau pour la mémoire quantique

Les scientifiques du monde entier travaillent à la création de mémoires quantiques capables de répéter des signaux quantiques en retenant et en synchronisant les photons, afin qu'ils puissent se propager sur de plus longues distances.

Pour construire de telles mémoires quantiques, il faut trouver un matériau approprié capable de préserver pendant quelques secondes les photons (transporteurs de données quantiques) des perturbations extérieures afin qu'ils puissent être synchronisés.

Étant donné que les photons parcourent 186 282 miles par seconde, les chercheurs ont dû trouver un matériau bien isolé des perturbations environnementales et capable de fonctionner efficacement à hautes fréquences :deux caractéristiques difficiles à trouver dans un seul matériau.

Nous disposons déjà de quelques prototypes basés sur des matériaux rares comme le praséodyme ou l'europium, mais ils ne sont pas très efficaces. Les chercheurs se sont donc intéressés à un élément qui n'avait pas encore été étudié de manière approfondie :l'ytterbium.

Référence : Matériaux naturels | est ce que je:10.1038/s41563-018-0138-x | Université de Genève

En quoi l'ytterbium est-il utile ?

Ils ont découvert que l'ytterbium peut isoler les atomes de leur environnement qui ont tendance à déformer le signal, ce qui en fait un candidat idéal pour les répéteurs quantiques.

L’équipe a découvert un « point magique » en modifiant la direction et l’amplitude du champ magnétique. À ce stade précis, les temps de cohérence des atomes d'ytterbium sont multipliés par 1 000, tout en fonctionnant à hautes fréquences.

Cristal d'ytterbium refroidi à 270,15 degrés Celsius

Ils ont montré qu’il est possible d’améliorer simultanément les temps de spin et de cohérence optique, en réduisant les gradients de transition grâce à des champs de polarisation magnétique extrêmement faibles, ou en utilisant des transitions d’horloge induites à champ nul. Il s'applique à tout système de spin électronique ayant des interactions hyperfines et un Zeeman anisotrope.

Les chercheurs développent actuellement des mémoires quantiques basées sur l'ytterbium qui peuvent faciliter des transitions rapides d'un répéteur à un autre tout en maintenant l'état des photons pendant environ une seconde, pour permettre la synchronisation.

Lire : La première simulation d'un noyau atomique sur un ordinateur quantique

Le matériau possède de nombreuses propriétés uniques, telles que des transitions optiques-hyperfines résolues optiquement, un collecteur hyperfin simple et de longs temps de cohérence, ce qui en fait un candidat idéal pour les applications de données quantiques. De plus, il peut être utilisé pour des applications dans les mémoires quantiques et le couplage à des qubits supraconducteurs en régime micro-ondes.