A solid-state quantum memory based on a continuous optoacoustic system

Pour construire un avenir où l'information voyage instantanément et en toute sécurité à travers le globe, les scientifiques ont besoin d'un moyen de mettre la lumière en pause. Dans le monde quantique, l'information est souvent transportée par des particules individuelles de lumière, mais ces particules se déplacent à la vitesse de la lumière et disparaissent si elles heurtent quoi que ce soit. Pour traiter ces données ou les envoyer sur de longues distances, les chercheurs ont besoin d'une « mémoire » capable d'attraper un photon volant, de le maintenir immobile un instant, puis de le relâcher exactement tel qu'il était. Il ne s'agit pas seulement de sauvegarder un fichier ; il s'agit de préserver les motifs délicats et invisibles des états quantiques qui rendent possibles des technologies telles que la communication inviolable et la détection ultra-précise. Le défi consiste à trouver un matériau capable de capturer ces particules fugaces sans détruire leur nature quantique, tout en étant assez rapide pour gérer le rythme effréné des données modernes.

Une équipe de chercheurs a proposé une nouvelle méthode pour résoudre ce problème en utilisant un morceau solide de verre ou de cristal qui agit comme une autoroute continue pour la lumière et le son. Au lieu d'essayer de piéger la lumière dans une petite boîte isolée, ce qui limite la quantité d'informations pouvant être stockées à la fois, leur approche utilise un guide d'ondes long et mince où les ondes de lumière et de son voyagent ensemble. Dans ce système, une impulsion de lumière laser agit comme un pont, convertissant un photon voyageur en une onde sonore voyageuse, appelée phonon, puis l'inverse. Ce processus repose sur une interaction spécifique appelée diffusion Brillouin, où l'énergie d'un photon est échangée avec l'énergie d'une onde sonore. Les chercheurs ont démontré qu'en calibrant soigneusement ces interactions, ils peuvent cartographier un état quantique de la lumière sur le son, le laisser reposer un court instant, puis le récupérer sous forme de lumière à nouveau, le tout sans nécessiter les températures extrêmes, proches du zéro absolu, habituellement requises pour ce genre de travail délicat.

Le cœur de cette proposition est un processus en deux étapes qui fonctionne comme un interrupteur réversible. D'abord, une forte impulsion de lumière laser pénètre dans le guide d'ondes et rencontre un signal faible transportant l'information quantique. Cette interaction force le signal à se transformer en une onde sonore qui voyage dans le matériau. Le signal est alors stocké sous la forme d'une vibration au sein du milieu solide. Après un délai programmable, une seconde impulsion laser arrive pour inverser le processus, transformant l'onde sonore à nouveau en une impulsion lumineuse qui porte l'information originale. Parce que le système utilise des ondes progressives plutôt que des particules piégées dans une cavité, il peut gérer une très large gamme de fréquences simultanément. Cela signifie que la mémoire peut stocker de nombreux signaux différents en même temps, une caractéristique cruciale pour l'extensibilité des réseaux quantiques.

Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques détaillées pour tester l'efficacité de ce système avec des matériaux du monde réel. Ils ont modélisé le comportement des ondes lumineuses et sonores sous diverses conditions, incluant différentes températures et niveaux d'intensité d'interaction. Leurs résultats indiquent que le système peut stocker et récupérer des états quantiques complexes, tels que la lumière « comprimée » (squeezed light) où le bruit du signal est réduit en dessous de la limite standard, avec une très grande précision. Même à des températures de un Kelvin, soit juste un degré au-dessus du zéro absolu mais bien plus chaud que les températures millikelvins souvent nécessaires pour les dispositifs quantiques, la mémoire a conservé l'information quantique avec une haute fidélité. Les simulations ont montré que le système pouvait fonctionner efficacement pour des temps de stockage de plusieurs dizaines de nanosecondes, ce qui est suffisant pour traiter des données pour de nombreuses applications avancées.

Une découverte clé de ce travail est que le système ne nécessite pas que les ondes sonores soient refroidies à leur état d'énergie le plus bas avant que l'information ne soit stockée. Dans de nombreux systèmes quantiques, toute chaleur ou vibration résiduelle dans le matériau détruit la délicate information quantique. Cependant, parce que ce protocole repose sur un échange cohérent et rapide entre la lumière et le son, la mémoire reste robuste même si les ondes sonores ne sont pas parfaitement froides. Les chercheurs ont constaté que tant que l'interaction entre la lumière et le son est suffisamment forte, le système peut surmonter le bruit thermique de fond. Cela suggère que cette technologie pourrait être beaucoup plus facile à construire et à exploiter que les approches précédentes, car elle ne demande pas les équipements de refroidissement les plus extrêmes.

L'étude a également exploré la capacité de la mémoire à préserver l'intrication, un phénomène où deux particules restent liées quelle que soit la distance qui les sépare. Dans les simulations, une moitié d'une paire intriquée a été envoyée dans la mémoire tandis que l'autre moitié était conservée à l'extérieur comme référence. Après que la première moitié a été stockée sous forme d'onde sonore puis récupérée sous forme de lumière, le lien entre les deux particules est resté intact. Les simulations ont montré que la force de cette connexion, appelée négativité, est restée suffisamment élevée pour confirmer que la nature quantique de la paire était préservée. Cela démontre que le système est capable de manipuler les formes les plus fragiles d'information quantique, et pas seulement des signaux simples.

La mémoire proposée est conçue pour fonctionner avec une bande passante de centaines de mégahertz, permettant de traiter une grande quantité de données en parallèle. Il s'agit d'une amélioration significative par rapport aux systèmes qui reposent sur des modes discrets et isolés, lesquels ne peuvent gérer qu'une seule fréquence à la fois. En utilisant un milieu continu, les chercheurs ont montré que le système peut stocker de l'information sur un large spectre de fréquences simultanément. Cette capacité ouvre la voie au traitement de signaux quantiques multimodes, où de nombreux canaux d'information différents peuvent être gérés à la fois. Les simulations ont suggéré qu'avec la technologie actuelle, tels que des guides d'ondes possédant des propriétés optiques spécifiques, le système pourrait atteindre ces résultats en utilisant des impulsions laser avec des puissances de crête réalisables dans un cadre de laboratoire.

Bien que les résultats présentés soient basés sur des modèles théoriques et des simulations, ils tracent une voie pratique vers la construction de mémoires quantiques évolutives. Les chercheurs ont noté que, dans des expériences réelles, le temps de stockage pourrait potentiellement être prolongé davantage si le matériau utilisé présente des pertes mécaniques plus faibles, ce qui est souvent le cas à des températures plus basses. Ils ont également souligné que la capacité du système à fonctionner à des températures sub-Kelvin, plutôt que de nécessiter des environnements cryogéniques profonds, en fait un candidat plus viable pour l'intégration dans les futurs réseaux quantiques. Ce travail identifie un type spécifique de système optoacoustique comme une plateforme prometteuse pour la prochaine génération de technologies quantiques, offrant un moyen de stocker et de traiter l'information basée sur la lumière avec rapidité, capacité et fiabilité.