Long-lived quantum memories with rare-earth ions doped in crystals

Imaginez un monde où l'information n'est pas transportée par des courants électriques dans des fils, mais par des particules de lumière individuelles. Ces particules, connues sous le nom de photons, sont les messagers idéaux pour un nouveau type d'internet qui promet une sécurité inviolable et une puissance de calcul sans précédent. Cependant, la lumière possède un défaut fatal : elle ne peut pas être arrêtée. Une fois qu'un photon est envoyé dans un câble à fibre optique, il voyage jusqu'à ce qu'il soit perdu ou absorbé. Il ne peut pas attendre. Cela rend la construction d'un réseau mondial impossible, car les signaux s'affaiblissent avec la distance et, contrairement à un signal traditionnel qui peut être copié et amplifié, un signal quantique ne peut pas être copié sans détruire son information délicate. Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont besoin d'un moyen d'attraper un photon volant, de le maintenir immobile et de le relâcher plus tard exactement tel qu'il était. Ce dispositif est appelé une mémoire quantique. Il agit comme un bouton de pause pour la lumière, permettant au réseau de synchroniser ses opérations et d'étendre sa portée à travers les continents.

Pendant des années, les chercheurs ont cherché le matériau parfait pour servir de bouton de pause. Ils avaient besoin de quelque chose de solide, de facile à construire et capable de maintenir un état quantique pendant une longue période sans qu'il ne s'estompe. Un candidat prometteur a émergé du monde des cristaux : les ions de terres rares. Il s'agit d'atomes d'éléments comme l'europium ou le praséodyme qui ont été intégrés dans un réseau cristallin. La particularité de ces atomes est que leurs couches externes agissent comme un bouclier, protégeant leurs électrons internes de l'environnement bruyant du cristal. Cette protection leur permet de conserver leur état quantique pendant des périodes étonnamment longues. Pourtant, même avec ce bouclier naturel, l'environnement interfère toujours. De minuscules fluctuations des champs magnétiques, causées par le mouvement aléatoire des atomes dans le cristal ou le champ magnétique de la Terre elle-même, font que l'information stockée se brouille et disparaît.

Une équipe de chercheurs de l'Université de science et technologie de Chine a franchi une étape majeure dans la maîtrise de cette interférence. Dans une revue complète d'expériences récentes, ils décrivent comment les chercheurs ont réussi à prolonger la durée de vie de ces mémoires quantiques de quelques secondes à plusieurs minutes, et dans certains cas, à plusieurs heures. La clé de ce succès réside dans deux stratégies astucieuses. Premièrement, ils ont identifié une intensité de champ magnétique spécifique où les atomes deviennent naturellement immunisés contre le bruit magnétique. C'est comme si les atomes trouvaient un « point idéal » où la poussée et la traction magnétiques s'annulent parfaitement. Deuxièmement, lorsque les atomes commencent tout de même à dériver, les chercheurs appliquent une série rapide d'impulsions de radiofréquence. Ces impulsions agissent comme un léger coup de pouce, réalignant constamment les atomes avant qu'ils ne perdent leur chemin, gelant ainsi efficacement l'information sur place.

Les résultats de ce travail sont mesurés de trois manières distinctes, chacune représentant un niveau de difficulté différent. La première mesure est le « temps de cohérence de spin », qui est simplement la durée pendant laquelle les atomes peuvent maintenir leur alignement quantique avant de commencer à s'écarter. En utilisant des cristaux dopés avec des ions d'europium et en appliant le point idéal magnétique ainsi que les impulsions de réalignement, les chercheurs ont atteint un temps de cohérence record de près de six heures. Cela signifie que les atomes sont restés synchronisés pendant une durée bien plus longue que lors de toute expérience précédente avec ce type de matériau.

La deuxième mesure est le « temps de stockage de la lumière ». Il s'agit de la durée pendant laquelle un faisceau de lumière réel peut être capturé, stocké sous forme de vibration au sein des atomes, puis relâché à nouveau sous forme de lumière. Lors d'expériences antérieures avec des ions de praséodyme, les scientifiques ont réussi à stocker la lumière pendant environ 42 secondes. En passant à des cristaux d'europium plus stables et en utilisant une méthode de stockage différente reposant sur un motif spécifique de niveaux d'énergie atomique, les chercheurs ont étendu ce temps à plus de 52 minutes. Ils ont démontré qu'une impulsion de lumière pouvait être retenue pendant près d'une heure et récupérée avec son profil d'onde intact, prouvant que l'information n'avait pas été brouillée.

Le défi le plus difficile, et celui qui nous rapproche le plus d'un internet quantique fonctionnel, est le « temps de stockage quantique ». Cela implique de stocker non pas un faisceau lumineux brillant, mais une particule de lumière unique, ou un photon unique. Stocker un photon unique est incroyablement difficile car le processus doit être si efficace et silencieux qu'aucun bruit supplémentaire n'est ajouté, sinon le photon unique sera perdu dans l'électricité statique. Les tentatives précédentes peinaient à maintenir un photon unique plus de quelques millisecondes. Cependant, en combinant le point idéal magnétique, les impulsions de réalignement et une nouvelle méthode qui évite de créer un bruit supplémentaire pendant le processus de stockage, les chercheurs dirigés par Lv et al. ont réussi à stocker des entrées de niveau photon unique pendant plus de 27 secondes. À cette durée, le photon stocké conservait sa nature quantique, prouvant qu'il ne s'agissait pas seulement d'un signal classique mais d'une véritable mémoire quantique.

Ces accomplissements ne sont pas seulement des jalons théoriques ; ils pointent vers un avenir pratique. Les chercheurs notent que ces cristaux sont compatibles avec la technologie existante, ce qui signifie qu'ils pourraient être intégrés dans de petits dispositifs. Cela ouvre la porte aux « mémoires quantiques transportables », où un dispositif contenant une mémoire quantique pourrait être chargé sur un camion, un drone ou un satellite pour transporter l'information quantique entre des villes lointaines ou même à travers l'espace. La capacité de maintenir un état quantique pendant une heure signifie qu'un véhicule pourrait parcourir des centaines de kilomètres tout en gardant l'information en sécurité, comblant les écarts que les câbles à fibre optique ne peuvent franchir. Bien que des défis subsistent, tels que l'amélioration de l'efficacité de la capture de la lumière et la réduction de la taille de l'équipement, ce travail établit que les mémoires quantiques à l'état solide à longue durée de vie ne sont plus un rêve lointain mais une réalité tangible.