Avancées dans le réseau quantique grâce à l'interférence des photons

L'interférence des photons est un phénomène fascinant qui se produit quand deux faisceaux de lumière se chevauchent, créant des motifs qui montrent comment la lumière se comporte. Ce concept est super important dans le monde des réseaux quantiques, qui cherchent à relier des systèmes quantiques, comme les ordinateurs quantiques, sur de longues distances. Un type spécifique d'interférence, connu sous le nom d'Interférence de Hong-Ou-Mandel, est vital pour envoyer des informations quantiques, comme des connexions intriquées ou des clés sécurisées, à travers des fibres optiques.

Les fibres optiques sont largement utilisées pour la communication parce qu'elles permettent à la lumière de voyager avec peu de pertes. Ces fibres transportent à la fois des signaux classiques, comme ceux utilisés pour les connexions internet normales, et des signaux quantiques, qui transportent des informations quantiques. Le défi réside dans la Synchronisation de ces signaux, surtout quand les sources qui génèrent les photons sont éloignées.

#Le défi de la synchronisation des sources de photons

Pour que l'interférence photon-photon fonctionne bien, il est crucial que les sources de photons soient synchronisées. Quand deux photons arrivent à un séparateur de faisceau en même temps, l'interférence peut se produire, augmentant les chances de communication réussie. Cependant, synchroniser ces sources sur de longues distances peut être compliqué par divers facteurs, comme les différentes vitesses auxquelles la lumière voyage dans différents milieux et les délais causés par l'équipement utilisé.

Une approche prometteuse pour la synchronisation est d'utiliser une horloge optique qui permet un timing précis de la génération des photons. En utilisant une chaîne de Communication classique coexistant dans la même Fibre optique, on peut garder ces horloges atomiques synchronisées. Avec ce système, les objectifs d'atteindre l'interférence photon-photon et de permettre la distribution d'intrication à longue distance deviennent plus réalisables.

#Réaliser l'interférence de Hong-Ou-Mandel

Dans nos expériences, nous avons démontré l'effet Hong-Ou-Mandel en utilisant deux sources de photons : un état cohérent faible (WCS) et une source de photon unique annoncée. Le WCS est créé en réduisant l'intensité d'un laser, le rendant comparable à un seul photon, tandis que la source de photon unique annoncée fournit un vrai photon unique. Lorsque ces deux sources de lumière sont envoyées à un séparateur de faisceau, le motif d'interférence peut être observé.

Grâce à l'expérimentation, nous avons obtenu une visibilité de creux significatif dans le motif d'interférence, indiquant un comportement non classique. Cette visibilité est une mesure de la façon dont les photons se comportent pendant l'interférence, et une haute visibilité est essentielle pour un réseau quantique réussi.

#Mise en place de l'expérience

La configuration de notre expérience impliquait plusieurs composants. D'abord, nous avons utilisé une source de photon unique annoncée basée sur un guide d'onde spécial qui génère des paires de photons. Un de ces photons agit comme signal, tandis que l'autre est l'annonceur, nous informant qu'un photon unique est prêt. Cette source de photon unique annoncée est intégrée dans un système plus large qui gère la synchronisation des signaux d'horloge.

Des dispositifs optiques ont été utilisés pour filtrer et contrôler la polarisation de la lumière afin de s'assurer que les photons ont des caractéristiques indiscernables. Cet accord est crucial pour obtenir une haute visibilité dans les motifs d'interférence.

Pendant l'expérience, nous avons ajusté le timing entre ces deux sources de photons pour maximiser leur chevauchement au séparateur de faisceau. Mesurer les coïncidences, ou détections simultanées, entre les ports de sortie du séparateur de faisceau a montré comment l'interférence fonctionnait bien.

#Le rôle de la communication classique

La communication classique dans notre configuration sert plusieurs objectifs. Elle aide à synchroniser les horloges et à s’assurer que les sources WCS et de photon unique annoncée sont correctement alignées dans le temps. En utilisant des systèmes de mesure disponibles dans le commerce, nous avons connecté des transceivers compatibles SFP (petit facteur de forme enfichable) qui ont permis un transfert de données à haute vitesse parallèlement aux signaux quantiques.

En envoyant un signal d'horloge classique à travers la même fibre que les signaux quantiques, nous avons minimisé le coût supplémentaire et fait un usage efficace de l'infrastructure de la fibre optique. Cette coexistence de signaux classiques et quantiques est un pas en avant car elle réduit le besoin de fibres supplémentaires et permet un réseau plus évolutif.

#Atténuation des problèmes de Diffusion Raman spontanée

Quand on traite des signaux optiques dans les fibres, il faut prendre en compte la diffusion Raman spontanée, qui peut détériorer la qualité des signaux. Cette diffusion se produit quand la lumière interagit avec le matériau de la fibre, créant un bruit supplémentaire qui peut interférer avec les signaux quantiques.

Pour lutter contre ce problème, nous avons soigneusement choisi les longueurs d'onde utilisées pour à la fois l'horloge classique et les canaux quantiques. En choisissant des longueurs d'onde qui minimisent l'interaction avec le matériau de la fibre, nous avons pu réduire l'impact de la diffusion Raman spontanée sur nos signaux quantiques tout en assurant une livraison fiable du signal d'horloge.

#Résultats expérimentaux

Dans l'une de nos expériences clés, nous avons envoyé un état cohérent faible et le photon unique annoncé à travers 4,3 kilomètres de fibre déployée. En utilisant le signal d'horloge coexistant, nous avons réussi à générer une interférence Hong-Ou-Mandel. Pendant l'expérience, nous avons gagné des informations sur la façon dont nos méthodes de synchronisation ont fonctionné même avec du trafic classique externe dans la fibre.

La visibilité de l'interférence observée était notable. Nous avons constaté que, bien que la présence du signal classique affecte le signal quantique, nous avons quand même réussi à atteindre suffisamment d'alignement pour observer des motifs d'interférence non classiques. Cela a indiqué que notre méthode d'utilisation d'un signal d'horloge coexistant fonctionnait efficacement pour les réseaux quantiques.

#Élargissement et travaux futurs

Le potentiel des réseaux quantiques est vaste, et à mesure que la technologie s'améliore, nous nous attendons à voir des systèmes plus sophistiqués travailler ensemble. Les transceivers utilisés dans nos expériences étaient disponibles dans le commerce, ce qui signifie qu'ils peuvent être facilement intégrés dans l'infrastructure existante. Au fur et à mesure que nous avançons, nous allons explorer des transceivers plus rapides pour réduire davantage le jitter temporel dans notre système, améliorant ainsi les performances.

De plus, optimiser les techniques de filtrage et les formes d'impulsions impliquées dans nos expériences pourrait augmenter la visibilité dans le futur. Ce travail ouvre la porte à des systèmes de communication quantique plus fiables et pratiques qui peuvent fonctionner aux côtés des systèmes de communication traditionnels.

#Conclusion

Le travail que nous avons présenté souligne l'importance de la synchronisation et de la coopération entre les signaux classiques et quantiques dans les fibres optiques. En démontrant avec succès l'interférence de Hong-Ou-Mandel avec des signaux classiques coexistant, nous avons franchi une étape significative vers la construction d'un réseau quantique évolutif utilisant les infrastructures de fibre existantes.

En avançant, nous continuerons à affiner nos techniques et à explorer comment elles peuvent être appliquées dans des contextes plus larges, ouvrant finalement la voie à des réseaux quantiques capables de supporter diverses applications, de l'informatique quantique aux communications sécurisées. L'avenir des réseaux quantiques semble prometteur et les avancées réalisées contribueront sans doute à sa croissance.