Kristall som används för att lagra fotoniska qubits och belyses av en laser i en kryostat, ett instrument för att erhålla kryogena temperaturer. Kredit:Antonio Ortu
Datorer, smartphones, GPS:kvantfysik har möjliggjort många tekniska framsteg. Det öppnar nu upp nya forskningsfält inom kryptografi (konsten att koda meddelanden) i syfte att utveckla ultrasäkra telekommunikationsnätverk. Det finns dock ett hinder:efter några hundra kilometer inom en optisk fiber försvinner fotonerna som bär qubits eller "kvantbitar" (informationen). De behöver därför "repeaters", ett slags "relä", som delvis bygger på ett kvantminne. Genom att lyckas lagra en qubit i en kristall (ett "minne") i 20 millisekunder, har ett team från universitetet i Genève (UNIGE) satt världsrekord och tagit ett stort steg mot utvecklingen av långväga kvanttelekommunikationsnätverk. Denna forskning finns i tidskriften npj Quantum Information .
Utvecklad under 1900-talet har kvantfysiken gjort det möjligt för forskare att beskriva beteendet hos atomer och partiklar samt vissa egenskaper hos elektromagnetisk strålning. Genom att bryta med klassisk fysik genererade dessa teorier en verklig revolution och introducerade föreställningar utan motsvarighet i den makroskopiska världen som superposition, som beskriver möjligheten för en partikel att vara på flera ställen samtidigt, eller intrassling, som beskriver förmågan hos två partiklar. att påverka varandra omedelbart även på avstånd ("spooky action at a distance").
Kvantteorier är nu kärnan i mycket forskning inom kryptografi, en disciplin som sammanför tekniker för att koda ett meddelande. Kvantteorier gör det möjligt att garantera perfekt autenticitet och konfidentialitet för information (en qubit) när den sänds mellan två samtalspartner av en ljuspartikel (en foton) i en optisk fiber. Fenomenet superposition låter avsändaren omedelbart veta om fotonen som förmedlar meddelandet har fångats upp.
Memorera signalen
Det finns dock ett stort hinder för utvecklingen av långväga kvanttelekommunikationssystem:bortom några hundra kilometer försvinner fotonerna och signalen försvinner. Eftersom signalen inte kan kopieras eller förstärkas – den skulle förlora kvanttillståndet som garanterar dess konfidentialitet – är utmaningen att hitta ett sätt att upprepa den utan att ändra den genom att skapa "repeterare" baserade i synnerhet på ett kvantminne.
Under 2015 lyckades teamet under ledning av Mikael Afzelius, universitetslektor vid institutionen för tillämpad fysik vid naturvetenskapliga fakulteten vid universitetet i Genève (UNIGE), lagra en qubit som bärs av en foton i 0,5 millisekunder i en kristall (en "minne"). Denna process gjorde det möjligt för fotonen att överföra sitt kvanttillstånd till kristallens atomer innan den försvann. Fenomenet varade dock inte tillräckligt länge för att möjliggöra konstruktionen av ett större nätverk av minnen, en förutsättning för utvecklingen av långdistanskvanttelekommunikation.
Lagringspost
Idag, inom ramen för European Quantum Flagship-programmet, har Mikael Afzelius team lyckats öka denna varaktighet avsevärt genom att lagra en qubit i 20 millisekunder. "Det här är ett världsrekord för ett kvantminne baserat på ett solid state-system, i det här fallet en kristall. Vi har till och med lyckats nå 100 millisekundersstrecket med en liten förlust av trohet", entusiasmerar forskaren. Som i sitt tidigare arbete använde UNIGE-forskarna kristaller dopade med vissa metaller som kallas "sällsynta jordartsmetaller" (europium i det här fallet), som kan absorbera ljus och sedan återutsända det. Dessa kristaller hölls vid -273,15°C (absolut noll), eftersom bortom 10°C över denna temperatur förstör den termiska omrörningen av kristallen atomernas intrassling.
"Vi applicerade ett litet magnetfält på en tusendels Tesla på kristallen och använde dynamiska avkopplingsmetoder, som består i att sända intensiva radiofrekvenser till kristallen. Effekten av dessa tekniker är att frikoppla joner från sällsynta jordartsmetaller från störningar i kristallen. miljö och öka den lagringsprestanda vi har känt till nu med nästan en faktor 40", förklarar Antonio Ortu, en postdoktor vid institutionen för tillämpad fysik vid UNIGE. Resultaten av denna forskning utgör ett stort framsteg för utvecklingen av långväga kvanttelekommunikationsnätverk. De för också lagringen av ett kvanttillstånd som bärs av en foton till en tidsskala som kan uppskattas av människor.
Ett effektivt system på 10 år
Men det finns fortfarande flera utmaningar att möta. "Utmaningen nu är att förlänga lagringstiden ytterligare. I teorin skulle det räcka med att öka varaktigheten av exponeringen av kristallen för radiofrekvenser, men tills vidare förhindrar tekniska hinder för deras implementering under en längre tidsperiod oss från att gå längre än 100 millisekunder. Men det är säkert att dessa tekniska problem kan lösas, säger Mikael Afzelius.
Forskarna kommer också att behöva hitta sätt att designa minnen som kan lagra mer än en enskild foton åt gången, och därmed ha "intrasslade" fotoner som garanterar konfidentialitet. "Syftet är att utveckla ett system som fungerar bra på alla dessa punkter och som kan marknadsföras inom tio år", avslutar forskaren. + Utforska vidare
