Essai d'un prototype de l'internet quantique fonctionne sous la ville de New York pendant un mois.

24 août 2024 fonction

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par David Appell, Phys.org

Pour introduire des réseaux quantiques sur le marché, les ingénieurs doivent surmonter la fragilité des états intriqués dans un câble en fibre et garantir l'efficacité de la livraison des signaux. Maintenant, des scientifiques de Qunnect Inc. à Brooklyn, New York, ont franchi une étape importante en exploitant un tel réseau sous les rues de la ville de New York.

Alors que d'autres ont déjà transmis des photons intriqués auparavant, il y avait trop de bruit et de dérive de polarisation dans l'environnement en fibre pour que l'intrication survive, en particulier dans un réseau stable à long terme.

"C'est là que notre travail intervient", a déclaré Mehdi Namazi, co-fondateur et directeur scientifique de Qunnect. La conception, les méthodes et les résultats du réseau de l'équipe sont publiés dans PRX Quantum.

Pour leur réseau prototype, les chercheurs de Qunnect ont utilisé un circuit en fibre loué de 34 kilomètres de long qu'ils ont appelé la boucle GothamQ. En utilisant des photons intriqués par polarisation, ils ont exploité la boucle pendant 15 jours consécutifs, atteignant un temps de disponibilité de 99,84% et une fidélité de compensation de 99% pour les paires de photons intriqués transmises à un rythme d'environ 20 000 par seconde. Avec un demi-million de paires de photons intriqués par seconde, la fidélité était toujours de près de 90%.

La polarisation d'un photon est la direction de son champ électrique. (Cela peut être plus facile à comprendre dans l'image ondulatoire de la lumière.) Vous connaissez peut-être le phénomène des lunettes de soleil polarisées, qui sont des filtres qui laissent passer la lumière d'une direction de polarisation mais bloquent les autres, réduisant ainsi l'éblouissement réfléchi par l'eau, la neige et le verre, par exemple.

Les photons polarisés sont utiles car ils sont faciles à créer, simples à manipuler (avec des filtres polarisés) et à mesurer.

Les photons intriqués par polarisation ont été utilisés ces dernières années pour construire des répéteurs quantiques à grande échelle, des réseaux de calcul quantique distribués et des réseaux de détection quantique distribués.

L'intrication quantique, sujet du prix Nobel de physique 2022, est le phénomène quantique particulier dans lequel les particules à l'intérieur d'un état quantique ont une connexion, parfois à longue distance, de sorte que mesurer la propriété de l'une détermine automatiquement les propriétés des autres avec lesquelles elle est intriquée.

Dans leur conception, un photon infrarouge de longueur d'onde de 1 324 nanomètres est intriqué avec un photon proche infrarouge de 795 nm. Ce dernier photon est compatible en longueur d'onde et en bande passante avec les systèmes atomiques de rubidium, tels que ceux utilisés dans les mémoires quantiques et les processeurs quantiques. Il a été constaté que la dérive de polarisation dépendait à la fois de la longueur d'onde et du temps, obligeant Qunnect à concevoir et à construire un équipement pour une compensation active aux mêmes longueurs d'onde.

Pour générer ces paires de photons à double couleur intriqués par polarisation, des faisceaux d'entrée couplés de certaines longueurs d'onde ont été envoyés à travers une cellule de vapeur enrichie en rubidium-78, où ils ont excité les atomes de rubidium à l'intérieur de la cellule, entraînant une transition de l'électron externe deux fois, par le biais d'un orbitale 5p à un orbitale 6s.

De cet état doublement excité, un photon de 1 324 nm était parfois émis, et une dégradation électronique ultérieure produisait un autre photon de 795 nm.

Ils ont envoyé des paires de photons intriquées par polarisation de 1 324 nm en superpositions quantiques à travers la fibre, un état avec les deux polarisations horizontales et l'autre avec les deux verticales - une configuration à deux qubits plus généralement connue sous le nom d'état de Bell. Dans une telle superposition, les paires de photons quantiques mécaniques quantiques sont simultanément dans les deux états.

Cependant, dans les câbles optiques, de tels systèmes de photons sont plus sujets aux perturbations de leur polarisation par les vibrations, la flexion et les fluctuations de pression et de température dans le câble et peuvent nécessiter des recalibrages fréquents. Comme ces types de perturbations sont presque impossibles à détecter et à isoler, sans parler de les atténuer, l'équipe de Qunnect a construit des dispositifs de compensation de la polarisation automatisés pour les compenser électroniquement.

En envoyant des paires de photons classiques, non intriquées, de 1 324 nm avec des polarisations connues dans la fibre, ils ont pu mesurer combien leur polarisation déviait ou était modifiée. La dérive de polarisation a été mesurée à quatre distances de transmission: zéro, 34, 69 et 102 km, en envoyant les photons classiques zéro, une, deux ou trois fois autour de la boucle métropolitaine sous les rues de Brooklyn et Queens. Ils ont ensuite utilisé les APC pour corriger la polarisation des paires intriquées.

La démonstration en boucle GothamQ de Qunnect a été particulièrement remarquable pour sa durée, la nature sans intervention temporelle de l'opération, et son pourcentage de disponibilité. Ils ont montré, ont-ils écrit, 'des progrès vers un réseau d'entrelacement pratique entièrement automatisé' qui serait nécessaire pour un internet quantique. Namazi a déclaré que 'depuis que nous avons terminé ce travail, nous avons déjà monté en rack toutes les pièces, afin qu'elles puissent être utilisées partout' - un équipement combiné qu'ils appellent Qu-Val.

Plus d'informations: Alexander N. Craddock et al, Distribution automatisée de photons polarisation-entrelacés en utilisant les fibres déployées de la ville de New York, PRX Quantum (2024). DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.030330

Information sur la revue: PRX Quantum

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