Des chercheurs sont parvenus à générer et transférer 20 000 paires de photons intriqués par seconde avec une fidélité de 99 % à travers un réseau de fibre optique de 34 kilomètres de long installé sous les rues de New York. Les photons intriqués ont été distribués en continu pendant 15 jours sans nécessiter de recalibrages fréquents. Ce niveau de stabilité sans précédent a été atteint à l’aide d’un système surveillant et ajustant automatiquement les dérives de polarisation des photons.
L’exploitation de photons intriqués pourrait révolutionner la télécommunication non seulement en matière de vitesse, mais également au niveau de la sécurité de l’information. La réalisation d’une telle prouesse repose sur la capacité à générer des intrications de haute fidélité (c’est-à-dire hautement stables) et à haut débit sur l’ensemble d’un réseau. De plus, étant donné leur vitesse de propagation et leur faible interaction avec l’environnement, les photons constituent la meilleure option pour la génération de qubits (bits quantiques) fiables.
Cependant, les fibres optiques utilisées pour les transporter présentent un inconvénient technique majeur : bien qu’elles soient largement disponibles et que les pertes d’information optique soient négligeables sur de courtes distances, elles sont hautement vulnérables aux perturbations environnementales. Les bifurcations, les vibrations et les fluctuations de pression et de température, peuvent en effet provoquer des changements de polarisation des photons et perturber ainsi les états d’intrication.
D’un autre côté, les qubits photoniques basés sur l’état de polarisation sont plus faciles à manipuler et à mesurer. Toutefois, ils sont plus sensibles aux perturbations environnementales induites par les fibres optiques. En outre, l’ampleur de la propagation de polarisation a tendance à varier au fil du temps lorsque la fibre est soumise à des contraintes continues. Il est ainsi difficile de maintenir une distribution à haut débit de photons polarisés intriqués sur de longues durées.
Afin de surmonter ces défis, la start-up new-yorkaise Qunnect a développé une technique permettant de stabiliser et ajuster automatiquement les dérives de polarisation. « Nous démontrons un système entièrement automatisé qui préserve l’intrication de polarisation entre une paire de photons, où l’un des photons passe à travers des fibres optiques déployées à New York », expliquent-ils dans leur document d’étude, publié dans la revue spécialisée PRX Quantum.
20 000 photons intriqués par seconde avec une fidélité de 99 %
La première étape des chercheurs de Qunnect consistait à mesurer les caractéristiques de dérive de polarisation des photons, au niveau d’un réseau de fibre optique standard. Baptisé « GothamQ », ce dernier forme une boucle de 34 kilomètres de long s’étendant à travers les arrondissements de Brooklyn et du Queens. Les photons étaient compris dans la gamme de longueurs d’ondes standard utilisée dans les télécommunications (1 260-1 350 nanomètres) et ont été mesurés à 4 distances de transmission différentes, notamment à 0, 34, 69 et 102 km (en effectuant une ou plusieurs boucles à travers le réseau).
Comme prévu, les photons ont changé de polarisation en fonction du temps et de leur longueur d’onde en circulant à travers le réseau de fibre. Les chercheurs ont d’ailleurs été surpris de constater que cette polarisation était particulièrement dépendante de ces deux paramètres.
L’équipe a ensuite utilisé ces informations pour évaluer la distribution de paires de photons intriqués par polarisation à travers le réseau GothamQ. Pour ce faire, les chercheurs ont excité de la vapeur d’atomes de rubidium avec un laser afin de générer des paires de photons intriqués. Ce processus a abouti à la création de paires, dont l’un des photons avait une longueur d’onde de 795 nanomètres et a été mesuré localement, et l’autre de 1 324 nanomètres et a été envoyé dans la fibre.
Afin de détecter et de corriger les dérives de polarisation, l’équipe a mis en place un système de compensation automatique de polarisation (APC). Il consiste à envoyer alternativement des photons intriqués de 1 324 nm et des flux de photons « classiques » de la même longueur d’onde à travers le réseau. Ces derniers avaient une mesure de polarisation bien définie et étaient injectés toutes les 20 secondes dans le réseau. Si cette mesure dépasse un certain seuil, cela signifie que la polarisation des photons intriqués a elle aussi changé et peut ainsi être ajustée par le biais de l’APC avec un modulateur spécialement conçu.
Cette configuration a permis de générer une distribution continue de photons intriqués pendant 15 jours, avec un temps de disponibilité de 99,84 % et une stabilité impressionnante. La fidélité d’intrication obtenue était notamment de 99 % pour un débit de 20 000 paires par seconde et plus de 84 % pour un débit de 500 000 paires par seconde.
Selon les chercheurs, « ces travaux ouvrent la voie au déploiement pratique de réseaux basés sur l’intrication permanente, avec des débits et une fidélité adaptés à de nombreux cas d’utilisation actuels et futurs ». D’autres experts suggèrent en outre qu’il est possible d’améliorer la vitesse de fonctionnement jusqu’à 20 % en utilisant un processus de réétalonnage. Ces résultats constituent ainsi une étape majeure vers le déploiement à grande échelle d’un réseau de communication quantique.