Réaliser une mémoire quantique dans la gamme notoirement difficile des rayons X

La lumière est un excellent vecteur d’information utilisé non seulement pour les technologies de communication classiques, mais aussi, de plus en plus, pour les applications quantiques telles que les réseaux et l’informatique quantiques. Cependant, le traitement des signaux lumineux est beaucoup plus complexe que celui des signaux électroniques courants.

Une équipe internationale de chercheurs, dont le Dr Olga Kocharovskaya, professeure distinguée au Département de physique et d’astronomie de l’Université Texas A&M, a démontré une nouvelle façon de stocker et de libérer des impulsions de rayons X au niveau d’un seul photon – un concept proposé pour la première fois dans des travaux théoriques antérieurs du groupe de Kocharovskaya – qui pourrait s’appliquer aux futures technologies quantiques à rayons X.

Les travaux de l’équipe, dirigés par le professeur de l’Institut Helmholtz d’Iéna, le Dr Ralf Röhlsberger, et réalisés à l’aide des sources synchrotron PETRA III du synchrotron électronique allemand (DESY) à Hambourg et de l’installation européenne de rayonnement synchrotron en France, ont abouti à la première réalisation de la mémoire quantique dans la gamme des rayons X durs.

Leurs résultats sont publiés dans la revue Progrès scientifiques.

« La mémoire quantique est un élément indispensable du réseau quantique, permettant le stockage et la récupération des informations quantiques », a déclaré Kocharovskaya, membre du Texas A&M Institute for Quantum Science and Engineering.

« Les photons sont des vecteurs rapides et robustes d’informations quantiques, mais il est difficile de les maintenir stationnaires au cas où ces informations seraient nécessaires ultérieurement. Une façon pratique de le faire est d’imprimer ces informations dans un milieu quasi stationnaire sous la forme d’une onde de polarisation ou de spin avec un temps de cohérence long et de les restituer via la réémission des photons d’origine. »

Selon Kocharovskaya, plusieurs protocoles de mémoire quantique ont été mis au point, mais ils se limitent aux photons optiques et aux ensembles atomiques. L’utilisation d’ensembles nucléaires plutôt qu’atomiques, ajoute-t-elle, permet d’obtenir des temps de mémoire beaucoup plus longs, même à des densités de solides élevées et à température ambiante.

Ces temps de mémoire plus longs sont le résultat direct de la moindre sensibilité des transitions nucléaires aux perturbations par des champs externes, grâce à la petite taille des noyaux. Combinées à une focalisation serrée des photons à haute fréquence, ces approches pourraient conduire au développement de mémoires quantiques à semi-conducteurs compactes à large bande et à longue durée de vie.

« L’extension directe des protocoles optique/atomique aux protocoles X/nucléaire s’avère difficile, voire impossible », explique le Dr Xiwen Zhang, chercheur postdoctoral du groupe de Kocharovskaya, qui a participé à l’expérience et a co-écrit l’article de l’équipe. « C’est pourquoi un nouveau protocole a été suggéré dans nos travaux antérieurs. »

Selon Zhang, l’idée à la base du nouveau protocole de l’équipe est très simple, du moins en termes de principes quantiques fondamentaux. En substance, un ensemble d’absorbeurs nucléaires en mouvement forme un peigne de fréquence dans le spectre d’absorption en raison du décalage de fréquence Doppler provoqué par le mouvement.

Une impulsion courte dont le spectre correspond à un peigne absorbé par un tel ensemble de cibles nucléaires sera réémise avec le retard déterminé par le décalage Doppler inverse résultant de l’interférence constructive entre différentes composantes spectrales.

« Cette idée a été réalisée avec succès dans notre expérience actuelle comprenant un absorbeur stationnaire et six absorbeurs se déplaçant de manière synchrone qui ont formé un peigne de fréquence à sept dents », a ajouté Zhang.

Zhang explique que la durée de vie de la cohérence nucléaire est le facteur limitant qui détermine la durée de stockage maximale pour ce type de mémoire quantique. Par exemple, l’utilisation d’isomères à durée de vie plus longue que l’isotope de fer 57 choisi par l’équipe pour son étude actuelle permettrait d’obtenir une durée de stockage plus longue.

Quoi qu’il en soit, il note que travailler au niveau d’un seul photon sans perdre d’informations qualifie le protocole de peigne de fréquence nucléaire de mémoire quantique, ce qui est une première pour les énergies des rayons X.

Les prochaines étapes prévues par l’équipe comprennent la libération à la demande des paquets d’ondes de photons stockés, ce qui pourrait conduire à la réalisation de l’intrication entre différents photons X durs, la principale ressource pour le traitement de l’information quantique.

Les recherches de l’équipe soulignent également le potentiel d’extension des technologies quantiques optiques à la gamme des courtes longueurs d’onde, qui est intrinsèquement moins « bruyante » en raison de la moyenne des fluctuations sur un grand nombre d’oscillations à haute fréquence.

Kocharovskaya affirme que les possibilités stimulantes sont intrigantes et qu’elle et ses collaborateurs ont hâte de continuer à explorer le potentiel de leur plate-forme réglable, robuste et hautement polyvalente pour faire progresser le domaine de l’optique quantique aux énergies des rayons X dans un avenir proche.