Une équipe de recherche internationale a réalisé une avancée majeure dans le domaine de la communication quantique. En développant une nouvelle source lumineuse émettant des photons intriqués d’une luminosité et d’une cohérence exceptionnelles, les chercheurs ont conçu un dispositif qui serait capable de transmettre des données de façon sécurisée dans les futurs réseaux de communication quantique, nous rapprochant de l’Internet quantique.
Ces trois dernières décennies ont été marquées par l’essor de l’information quantique, dont l’objectif principal est de mettre en œuvre de nouvelles formes de communication, de calcul et de mesure fondées sur l’utilisation de systèmes quantiques. Dans ces derniers, l’intrication, en particulier des états quantiques photoniques, joue un rôle central. En effet, comparés à d’autres vecteurs de transmission d’information, les photons, qui se comportent comme des « qubits volants », se déplacent à très grande vitesse sur de longues distances, ce qui leur confère un avantage indéniable.
Des photons intriqués ont déjà été transmis sur des distances record de 1 200 km avec le satellite spatial Micius. Leur « cohérence quantique » garantit que les données ne peuvent pas être interceptées. Toutefois, pour construire un réseau internet quantique, l’utilisation des photons se heurte à un défi majeur : leur luminosité, qui ralentit la communication. L’optimisation de la luminosité et de l’intrication nécessitent différentes technologies émergentes, encore difficiles à combiner de manière évolutive. De plus, les photons doivent être suffisamment puissants pour maintenir leur cohérence quantique.
C’est dans cette optique qu’une équipe de recherche collaborative d’Europe, d’Asie et d’Amérique du Sud a orienté son étude. « Nous avons surmonté ce défi en développant un nouveau dispositif composé d’un point quantique intégré dans un résonateur circulaire de Bragg, lui-même intégré sur un actionneur piézoélectrique micro-usiné », ont déclaré à Live Science les scientifiques. Dans leur étude, publiée dans eLight, ils décrivent le processus suivi pour créer une nouvelle source de signal quantique, utilisant des technologies existantes pour émettre des photons « exceptionnellement brillants ».
Une approche novatrice pour un contrôle précis de la lumière émise
Le dispositif mis au point par l’équipe intègre un point quantique avec une cavité spécialisée dans le piégeage de la lumière, permettant de générer et de régler avec précision des photons très lumineux et intriqués. Pour le développer, les chercheurs ont combiné un émetteur de points de photons avec un dispositif de renforcement de la signature quantique : un résonateur circulaire de Bragg, utilisé pour guider les ondes électromagnétiques. Selon les scientifiques, cette approche, consistant à combiner plusieurs technologies quantiques innovantes, est une première. Jusqu’à présent, ces dernières avaient toujours été testées séparément.
L’émetteur, combiné au résonateur de Bragg, a été intégré à un dispositif générant de l’électricité sous l’effet de la chaleur, autrement dit un actionneur piézoélectrique. Selon l’équipe, le résonateur optimise l’interaction lumière-matière, permettant des rendements d’extraction pouvant atteindre 69 %. L’actionneur, quant à lui, règle les photons en manipulant des champs de contrainte, ajustant ainsi le point quantique avec des fidélités corrigées à un état d’intrication maximale allant jusqu’à 96 %. Les paires de photons produites présentent non seulement une fidélité d’enchevêtrement maximale, mais aussi un rendement d’extraction optimal.
D’après les résultats de l’étude, chaque photon généré par le dispositif est suffisamment lumineux pour une communication sécurisée et conserve sa signature quantique. Avec cette technologie hybride, les chercheurs franchissent une étape clé vers des réseaux de communication quantiques pratiques. Cependant, bien que cet exploit puisse potentiellement nous rapprocher d’un système de communication quantique sécurisé, l’équipe est confrontée à un nouveau défi.
En effet, la conception de l’émetteur de points de photons nécessite des matières premières telles que l’arsenic ou l’arséniure de gallium, des produits classés toxiques et cancérigènes, notamment en ce qui concerne l’arséniure de gallium. Il est donc impératif de trouver des matériaux alternatifs viables.
L’équipe prévoit également d’intégrer une structure de type iode à l’actionneur piézoélectrique. L’objectif étant d’empêcher la décohérence quantique, c’est-à-dire la perte de l’intrication, en générant un champ électrique à travers les points quantiques. « Il reste de nombreuses étapes à franchir dans le développement d’un internet quantique, mais la combinaison réussie d’un émetteur de photons et d’un résonateur pour obtenir des photons d’une grande luminosité et d’une forte intrication constitue néanmoins une avancée significative », concluent les chercheurs.