Communication quantique révolutionnaire à longue distance avec des fibres à cœur creux

Les entreprises de télécommunications utilisent des fibres optiques pour envoyer de la lumière sur de longues distances, que ce soit pour la communication classique ou quantique. Les fibres traditionnelles ont des cœurs solides, mais de nouvelles fibres appelées Fibres à cœur creux (HCF) sont disponibles. Les HCF présentent des propriétés de guidage de la lumière intéressantes qui les rendent avantageuses pour la communication.

Cet article parle de notre réussite à transmettre des Photons intriqués à travers une fibre à cœur creux sur une longue distance (7,7 km). Ce succès est un grand pas en avant, car c'est le premier transfert réussi de particules intriquées à travers une structure aussi longue. Les avantages de cette nouvelle méthode incluent des délais réduits et une moins grande dispersion des signaux lumineux.

#Contexte

Les technologies quantiques, y compris la communication et l'informatique, progressent rapidement. La mise en place de réseaux quantiques à grande échelle devient plus courante. Pour que ces réseaux fonctionnent, il est nécessaire de partager des états quantiques de lumière entre des lieux éloignés à l’aide de fibres optiques.

Les protocoles quantiques, comme la Distribution de clés quantiques (QKD) et le lancer de pièces quantiques, nécessitent des fibres optiques à faible perte pour être efficaces. Les fibres optiques régulières, en particulier celles conçues pour les télécommunications, fonctionnent mieux dans une certaine plage de longueurs d'onde. La bande C des télécoms est particulièrement efficace pour la transmission de signaux, ce qui en fait le choix privilégié pour les activités de communication quantique.

Cependant, de nombreux dispositifs quantiques fonctionnent naturellement en dehors de cette plage optimale. Par conséquent, les scientifiques cherchent des moyens de modifier le fonctionnement de ces dispositifs pour les rendre compatibles avec la bande C des télécoms.

#L'expérience

Pour notre expérience, nous avons utilisé un type spécifique de fibre à cœur creux appelé fibre nodeless anti-résonante imbriquée (NANF). Cette fibre particulière se compose de deux parties, qui ont été combinées pour créer la longueur de 7,7 km dont nous avions besoin.

Les fibres à cœur creux peuvent être conçues de manière à ce que les fibres à cœur solide ne le puissent pas, permettant une meilleure transmission de la lumière et des pertes plus faibles. Le cœur rempli d'air des HCF permet à la lumière de se déplacer à des vitesses presque égales à celle de la lumière dans le vide. Cette avancée conduit à une communication plus rapide avec des délais très faibles.

Une faible Dispersion chromatique est une autre caractéristique notable des HCF, ce qui signifie que la dispersion des signaux lumineux lors de leur déplacement est minimisée. Pour notre expérience, nous avons mesuré la capacité des photons intriqués à voyager à travers une HCF par rapport à des fibres solides, en examinant spécifiquement comment le temps nécessaire pour transmettre le signal affectait la qualité de l'intrication.

#Préparation de l'expérience

Nous avons généré des paires de photons intriqués en polarisation. L'un de ces photons a été transformé en qubit temporel, qui représente l'information dans le temps plutôt que par polarisation. Ensuite, ce qubit temporel a été transmis à travers la HCF ou une fibre à cœur solide.

En convertissant le qubit temporel en polarisation à la fin de la fibre, nous avons pu évaluer l’efficacité de la transmission et mesurer la qualité de l'intrication. Notre installation impliquait l'utilisation de divers composants optiques, comme des diviseurs de faisceau et des plaques à ondes, pour gérer efficacement les signaux lumineux.

Avec deux photons intriqués, nous avons surveillé leurs temps d’arrivée après avoir traversé soit la fibre à cœur creux, soit la fibre à cœur solide. Cela nous a permis de comparer la Latence, ou le délai, des deux méthodes.

#Mesures de latence

Nous avons constaté que lorsque les photons voyageaient à travers une HCF, ils arrivaient plus tôt que lorsqu'ils passaient par une fibre à cœur solide. La latence réduite est bénéfique pour tout système de communication, surtout dans les technologies quantiques, où le timing est crucial pour une transmission réussie du signal.

Nous avons aussi noté que les signaux transmis à travers la HCF conservaient mieux leur clarté que ceux à travers les fibres solides. Les pics distincts observés dans les temps d'arrivée ont montré que la HCF préservait l'intégrité des signaux lumineux. Cette qualité est essentielle pour des fonctions comme la distribution de clés quantiques, où le timing et la clarté influencent directement la sécurité.

#Qualité de l'intrication

Pour examiner comment nous pouvions distribuer les états intriqués à travers la HCF, nous avons étudié l'état des photons après leur passage dans la fibre. Cela a impliqué l'utilisation d'une technique appelée tomographie d'état quantique, qui aide à reconstruire l'état intriqué et à mesurer sa pureté et sa concurrence.

Lors de nos évaluations, nous avons remarqué qu'il y avait une légère réduction de la qualité de l'état intriqué après que les photons aient traversé la HCF, mais c'était encore nettement mieux que ce que l'on obtient avec une fibre à cœur solide. Les différences de performance étaient dues à de petites imperfections dans la transmission et aux caractéristiques spécifiques des fibres.

Nous avons aussi examiné comment les changements dans l'espacement des qubits temporels affectaient la qualité de l'état intriqué. Il est devenu clair que la HCF surclassait les fibres solides en ce qui concerne les petits espacements de qubits temporels. Les signaux envoyés à travers la HCF pouvaient conserver leurs propriétés intriquées plus longtemps que ceux envoyés à travers des fibres solides.

#Espacements de temps qui se chevauchent

Un défi clé que nous avons rencontré était le problème des qubits temporels qui se chevauchent. Lorsque l'espacement des qubits temporels diminue, les signaux peuvent commencer à se mélanger, ce qui complique leur distinction. Nous avons trouvé que la HCF pouvait garder les qubits temporels séparés pour des espacements plus petits que les fibres solides, grâce à ses propriétés de dispersion plus faibles.

Avec nos résultats, nous avons confirmé qu'à mesure que les qubits temporels se chevauchaient, nous pouvions mesurer une qualité réduite en termes de pureté et de concurrence. Néanmoins, la HCF est restée supérieure même dans ces conditions difficiles.

#Conclusion

En résumé, nous avons montré qu'il est possible et efficace de transmettre des photons intriqués à travers une fibre à cœur creux sur une distance de 7,7 km. Cette avancée offre des résultats prometteurs pour les futurs systèmes de communication quantique. Les résultats indiquent que les HCF possèdent des avantages inhérents tels que la latence réduite et une dispersion plus faible, tous deux critiques pour maintenir une transmission de signaux de haute qualité dans les technologies quantiques.

Alors que la recherche sur les fibres à cœur creux continue de progresser, nous pouvons nous attendre à de nouvelles applications et améliorations dans le domaine de la communication quantique. Le potentiel d'optimisation supplémentaire suggère que les HCF pourraient finalement devenir l'épine dorsale de réseaux quantiques robustes, permettant une communication sécurisée et efficace à plus grande échelle.

#Directions futures

Nous sommes impatients d'explorer davantage les capacités des fibres à cœur creux et d'examiner leurs applications dans d'autres technologies quantiques. En perfectionnant nos techniques et nos outils, nous visons à repousser les limites de ce que les fibres à cœur creux peuvent réaliser dans le domaine de la communication quantique.

À long terme, l'intégration des HCF dans un plus large éventail de protocoles quantiques pourrait conduire à d'importantes améliorations de performances et de sécurité, ouvrant la voie à leur adoption dans des systèmes quantiques commerciaux et expérimentaux.