Un prototype d’Internet quantique testé sous New York pendant un demi-mois

Pour introduire les réseaux quantiques sur le marché, les ingénieurs doivent surmonter la fragilité des états intriqués dans un câble à fibre optique et garantir l’efficacité de la transmission du signal. Aujourd’hui, les scientifiques de Qunnect Inc. à Brooklyn, New York, ont fait un grand pas en avant en exploitant un tel réseau sous les rues de la ville de New York.

Bien que d’autres aient déjà transmis des photons intriqués, il y a eu trop de bruit et de dérive de polarisation dans l’environnement de la fibre pour que l’intrication survive, en particulier dans un réseau stable à long terme.

« C’est là que notre travail entre en jeu », a déclaré Mehdi Namazi, cofondateur et directeur scientifique de Qunnect. La conception du réseau, les méthodes et les résultats de l’équipe sont publiés dans PRX Quantique.

Pour leur réseau prototype, les chercheurs de Qunnect ont utilisé un circuit de fibre optique loué de 34 kilomètres de long qu’ils ont appelé la boucle GothamQ. En utilisant des photons polarisés, ils ont fait fonctionner la boucle pendant 15 jours consécutifs, obtenant un temps de disponibilité de 99,84 % et une fidélité de compensation de 99 % pour les paires de photons intriqués transmises à un rythme d’environ 20 000 par seconde. À un demi-million de paires de photons intriqués par seconde, la fidélité était toujours proche de 90 %.

La polarisation d’un photon correspond à la direction de son champ électrique. (Cela peut être plus facile à comprendre dans l’image ondulatoire de la lumière.) Vous connaissez peut-être le phénomène des lunettes de soleil polarisées, qui sont des filtres qui laissent passer la lumière provenant d’une direction de polarisation mais bloquent les autres, réduisant ainsi l’éblouissement réfléchi par l’eau, la neige et le verre, par exemple.

Les photons polarisés sont utiles car ils sont faciles à créer, simples à manipuler (avec des filtres polarisés) et à mesurer.

Les photons intriqués par polarisation ont été utilisés ces dernières années pour construire des répéteurs quantiques à grande échelle, des calculs quantiques distribués et des réseaux de détection quantique distribués.

L’intrication quantique, sujet du prix Nobel de physique 2022, est le phénomène quantique particulier dans lequel les particules d’un état quantique ont une connexion, parfois à longue distance, telle que la mesure de la propriété de l’une détermine automatiquement les propriétés des autres avec lesquelles elle est intriquée.

Dans leur conception, un photon infrarouge d’une longueur d’onde de 1 324 nanomètres est intriqué avec un photon proche infrarouge de 795 nm. Ce dernier photon est compatible en longueur d’onde et en bande passante avec les systèmes atomiques au rubidium, tels que ceux utilisés dans les mémoires et les processeurs quantiques. Il a été constaté que la dérive de polarisation dépendait à la fois de la longueur d’onde et du temps, ce qui a obligé Qunnect à concevoir et à construire un équipement de compensation active aux mêmes longueurs d’onde.

Pour générer ces paires de photons bicolores intriqués, des faisceaux d’entrée couplés de certaines longueurs d’onde ont été envoyés à travers une cellule à vapeur enrichie en rubidium-78, où ils ont excité les atomes de rubidium à l’intérieur de la cellule, provoquant la transition d’un électron externe deux fois, à travers une orbitale 5p à une orbitale 6s.

À partir de cet état doublement excité, un photon de 1 324 nm était parfois émis, et une désintégration électronique ultérieure produisait un autre photon de 795 nm.

Ils ont envoyé des paires de photons polarisés de 1 324 nm en superpositions quantiques à travers la fibre, un état avec les deux polarisations horizontales et l’autre avec les deux polarisations verticales – une configuration à deux qubits plus généralement connue sous le nom d’état de Bell. Dans une telle superposition, les paires de photons de la mécanique quantique sont dans les deux états en même temps.

Cependant, dans les câbles optiques, ces systèmes photoniques sont plus sensibles aux perturbations de leur polarisation causées par les vibrations, les courbures et les fluctuations de pression et de température dans le câble et peuvent nécessiter des réétalonnages fréquents. Étant donné que ces types de perturbations peuvent être presque impossibles à détecter et à isoler, sans parler de les atténuer, l’équipe de Qunnect a construit des dispositifs de compensation de polarisation automatisée (APC) pour les compenser électroniquement.

En envoyant des paires de photons classiques, non intriqués, de 1 324 nm avec des polarisations connues le long de la fibre, ils ont pu mesurer dans quelle mesure leur polarisation dérivait ou était modifiée. La dérive de polarisation a été mesurée à quatre distances de transmission : zéro, 34, 69 et 102 km, en envoyant les photons classiques zéro, une, deux ou trois fois autour de la boucle métropolitaine sous les rues de Brooklyn et du Queens. Ils ont ensuite utilisé les APC pour corriger la polarisation des paires intriquées.

La démonstration de la boucle GothamQ de Qunnect a été particulièrement remarquable pour sa durée, la nature non interventionniste du temps de fonctionnement et son pourcentage de disponibilité. Elle a montré, ont-ils écrit, « des progrès vers un réseau d’intrication pratique entièrement automatisé » qui serait nécessaire pour un Internet quantique. Namazi a déclaré que « depuis que nous avons terminé ce travail, nous avons déjà monté tous les composants en rack, afin qu’ils puissent être utilisés partout » — un équipement combiné qu’ils appellent Qu-Val.

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