Computers, smartphones, GPS:de kwantumfysica heeft veel technologische vooruitgang mogelijk gemaakt. Het opent nu nieuwe onderzoeksgebieden in cryptografie (de kunst van het coderen van berichten) met als doel ultraveilige telecommunicatienetwerken te ontwikkelen. Er is echter één obstakel:na een paar honderd kilometer binnen een optische vezel verdwijnen de fotonen die de qubits of "kwantumbits" (de informatie) dragen. Ze hebben dus 'repeaters' nodig, een soort 'relais', die deels gebaseerd zijn op een kwantumgeheugen. Door een qubit gedurende 20 milliseconden in een kristal (een "geheugen") op te slaan, heeft een team van de Universiteit van Genève (UNIGE) een wereldrecord gevestigd en een grote stap gezet in de richting van de ontwikkeling van langeafstandsquantumtelecommunicatienetwerken. Dit onderzoek is te vinden in het tijdschrift npj Quantum Information .

De kwantumfysica, ontwikkeld in de 20e eeuw, heeft wetenschappers in staat gesteld het gedrag van atomen en deeltjes te beschrijven, evenals bepaalde eigenschappen van elektromagnetische straling. Door te breken met de klassieke natuurkunde, zorgden deze theorieën voor een echte revolutie en introduceerden ze noties zonder equivalent in de macroscopische wereld, zoals superpositie, die de mogelijkheid beschrijft dat een deeltje op meerdere plaatsen tegelijk kan zijn, of verstrengeling, die het vermogen van twee deeltjes beschrijft. om elkaar onmiddellijk te beïnvloeden, zelfs op afstand ("spookachtige actie op afstand").

Kwantumtheorieën vormen nu de kern van veel onderzoek in cryptografie, een discipline die technieken samenbrengt voor het coderen van een bericht. Kwantumtheorieën maken het mogelijk om perfecte authenticiteit en vertrouwelijkheid van informatie (een qubit) te garanderen wanneer deze tussen twee gesprekspartners wordt overgedragen door een lichtdeeltje (een foton) in een optische vezel. Het fenomeen superpositie laat de zender onmiddellijk weten of het foton dat de boodschap overbrengt, is onderschept.

Het signaal onthouden

Er is echter een groot obstakel voor de ontwikkeling van langeafstands-kwantumtelecommunicatiesystemen:voorbij een paar honderd kilometer gaan de fotonen verloren en verdwijnt het signaal. Aangezien het signaal niet kan worden gekopieerd of versterkt - het zou de kwantumstatus verliezen die de vertrouwelijkheid ervan garandeert - is de uitdaging om een ​​manier te vinden om het te herhalen zonder het te veranderen door "repeaters" te maken, met name gebaseerd op een kwantumgeheugen.

In 2015 slaagde het team onder leiding van Mikael Afzelius, een universitair hoofddocent bij de afdeling Toegepaste Natuurkunde van de Faculteit Wetenschappen van de Universiteit van Genève (UNIGE), erin een qubit gedragen door een foton gedurende 0,5 milliseconde op te slaan in een kristal (een "geheugen"). Door dit proces kon het foton zijn kwantumtoestand overbrengen naar de atomen van het kristal voordat het verdween. Het fenomeen duurde echter niet lang genoeg om de constructie van een groter netwerk van geheugens mogelijk te maken, een voorwaarde voor de ontwikkeling van kwantumtelecommunicatie op lange afstand.

Opslagrecord

Vandaag, in het kader van het Europese Quantum Flagship-programma, is het team van Mikael Afzelius erin geslaagd om deze duur aanzienlijk te verlengen door een qubit gedurende 20 milliseconden op te slaan. "Dit is een wereldrecord voor een kwantumgeheugen gebaseerd op een solid-state systeem, in dit geval een kristal. We zijn er zelfs in geslaagd om de 100 milliseconde te bereiken met een klein verlies aan getrouwheid", vertelt de onderzoeker enthousiast. Net als in hun vorige werk gebruikten de UNIGE-wetenschappers kristallen die waren gedoteerd met bepaalde metalen die "zeldzame aardmetalen" worden genoemd (in dit geval europium), die in staat zijn om licht te absorberen en het vervolgens opnieuw uit te zenden. Deze kristallen werden op -273,15°C (absoluut nul) gehouden, omdat boven 10°C boven deze temperatuur de thermische agitatie van het kristal de verstrengeling van de atomen vernietigt.

"We hebben een klein magnetisch veld van een duizendste van een Tesla op het kristal toegepast en dynamische ontkoppelingsmethoden gebruikt, die erin bestaan ​​intense radiofrequenties naar het kristal te sturen. Het effect van deze technieken is om de zeldzame-aarde-ionen te ontkoppelen van verstoringen van de omgeving en de opslagprestaties die we tot nu toe kenden met bijna een factor 40 verhogen", legt Antonio Ortu, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Technische Natuurkunde van UNIGE, uit. De resultaten van dit onderzoek vormen een belangrijke stap vooruit voor de ontwikkeling van langeafstands-kwantumtelecommunicatienetwerken. Ze brengen ook de opslag van een kwantumtoestand die door een foton wordt gedragen naar een tijdschaal die door mensen kan worden geschat.

Een efficiënt systeem in 10 jaar

Er zijn echter nog een aantal uitdagingen die moeten worden aangegaan. "De uitdaging is nu om de opslagtijd verder te verlengen. In theorie zou het voldoende zijn om de duur van de blootstelling van het kristal aan radiofrequenties te verlengen, maar technische belemmeringen voor de implementatie ervan over een langere periode voorkomen ons van verder dan 100 milliseconden te gaan. Het is echter zeker dat deze technische problemen kunnen worden opgelost", zegt Mikael Afzelius.

De wetenschappers zullen ook manieren moeten vinden om herinneringen te ontwerpen die in staat zijn om meer dan één enkel foton tegelijk op te slaan, en dus om "verstrengelde" fotonen te hebben die de vertrouwelijkheid zullen garanderen. "Het doel is om een ​​systeem te ontwikkelen dat op al deze punten goed presteert en binnen tien jaar op de markt kan worden gebracht", besluit de onderzoeker. + Verder verkennen

Atomen aan elkaar koppelen levert kwantumopslag op