Multiplexed ion-ion entanglement over $1.2$ kilometer fibers
Cet article présente la première démonstration d'un enchevêtrement annoncé amélioré par multiplexage entre deux nœuds quantiques à ions piégés sur 1,2 km de fibre, atteignant une accélération de 4,59 fois du taux de génération et une fidélité de 95,9 % grâce à l'utilisation de 10 modes photoniques temporels.
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Le rêve d'un internet quantique repose sur une connexion unique et fragile : la capacité de lier deux machines distantes afin qu'elles partagent un état secret, un phénomène connu sous le nom d'intrication. Imaginez deux pièces de monnaie qui, peu importe la distance qui les sépare, retombent toujours sur des faces opposées lorsqu'elles sont lancées ; dans le monde quantique, les particules peuvent être liées de cette manière, formant l'épine dorsale de technologies futures telles que la communication inviolable et les ordinateurs distribués puissants. Cependant, la construction de ce réseau est incroyablement difficile car le signal transportant la connexion s'affaiblit et se perd à mesure qu'il voyage à travers les câbles à fibre optique, surtout sur de longues distances. Pour faire fonctionner ces liaisons, les scientifiques doivent créer la connexion rapidement et de manière fiable avant que le signal ne s'estompe, un défi qui a longtemps limité l'échelle des expériences quantiques à de petites installations locales.
Une équipe de chercheurs de l'Université Tsinghua a franchi une étape significative en démontrant une méthode pour accélérer ce processus grâce à une technique appelée multiplexage. Ils ont réussi à créer un lien intriqué entre deux nœuds quantiques à ions piégés séparés par 1,2 kilomètre de fibre optique. Dans leur expérience, les scientifiques ont utilisé des ions de calcium, qui sont des atomes uniques maintenus en place par des champs électromagnétiques, comme nœuds quantiques. Chaque nœud contenait un ion, et les chercheurs ont employé une stratégie ingénieuse pour surmonter la lenteur de la lumière et la faible probabilité d'une connexion réussie. Au lieu d'essayer de créer le lien une seule fois et d'attendre de voir si cela fonctionnait, ils ont envoyé dix tentatives successives et rapides en une seule ronde. Cette approche leur a effectivement donné dix chances de réussir là où ils n'en avaient auparavant qu'une seule, accélérant considérablement le taux auquel l'intrication était établie.
L'installation impliquait deux lieux distincts, nommés Alice et Bob, situés à 2 mètres l'un de l'autre dans le laboratoire mais connectés à une station de mesure centrale par 600 mètres de fibre de chaque côté, créant ainsi un trajet total de 1,2 kilomètre. Le processus a commencé par l'excitation des ions par des impulsions laser, provoquant l'émission de photons, ou particules de lumière. Ces photons ont voyagé à travers les fibres jusqu'au centre, où ils ont été mesurés. Si les détecteurs au centre percevaient un motif spécifique de lumière, cela signalait que les deux ions distants étaient devens intriqués. Comme la vitesse de la lumière limite la rapidité avec laquelle l'information peut voyager dans les deux sens, les chercheurs ont dû attendre le signal de confirmation pour savoir si une tentative avait réussi. En utilisant dix modes temporels, ou dix créneaux temporels distincts pour ces tentatives, ils ont réussi à augmenter la vitesse de génération de ces connexions d'un facteur de 4,59 par rapport à l'utilisation d'une seule tentative à la fois.
Les résultats n'étaient pas seulement plus rapides ; ils étaient également remarquablement précis. L'équipe a mesuré la qualité de l'intrication et a trouvé une fidélité de 95,9 %, ce qui signifie que la connexion était extrêmement proche de l'état théorique parfait. Ce niveau de précision est notable car il a été atteint sur une distance bien plus longue que les records précédents pour ce type de système, qui étaient limités à seulement quelques centaines de mètres. Les chercheurs ont également confirmé que les ions pouvaient conserver cet état quantique pendant des centaines de millisecondes, une durée suffisante pour effectuer d'autres opérations. Cette durabilité est cruciale pour l'extension du réseau, car elle permet au système de traiter l'information et de corriger les erreurs.
Ce travail représente la première fois qu'un tel multiplexage est utilisé pour améliorer l'intrication entre des ions piégés sur une longue liaison par fibre. Bien que des expériences antérieures avec d'autres types de matériaux aient montré des accélérations similaires, cette étude prouve que la méthode fonctionne pour les ions, qui sont connus pour leur grande stabilité et leur précision. Les chercheurs ont utilisé une conception à double type pour leurs nœuds, séparant la partie de l'ion utilisée pour la communication de celle utilisée pour la mémoire, une caractéristique qui leur permettra d'ajouter plus d'ions et de qubits à l'avenir sans perturber le système. En combinant cette architecture avec la technique de multiplexage, l'équipe a créé un bloc de construction robuste pour un réseau quantique plus vaste. Les conclusions suggèrent qu'avec des raffinements supplémentaires pour réduire le bruit technique, tel que l'instabilité du laser ou les erreurs de phase, la fidélité pourrait potentiellement dépasser 99 %, rapprochant ainsi la vision d'un internet quantique fonctionnel et à grande échelle de la réalité.
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