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Ils ont été développés par une équipe dirigée par Christoph Becher, professeur d'optique quantique à l'Université de la Sarre. Des chercheurs de Dresde ont également participé à ce projet.
Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.
L'université de Stuttgart a publié le communiqué de presse suivant à ce sujet :
L'utilisation quotidienne d'Internet n'est pas sans risque : des pirates informatiques piratent des comptes bancaires ou volent des identités numériques. Grâce à l'IA, les attaques sont de plus en plus sophistiquées. Le cryptage quantique promet une protection efficace contre ces cybermenaces. Il rend les communications inviolables grâce aux lois de la physique quantique. Cependant, le chemin vers un Internet quantique est encore semé d'embûches techniques. Les chercheurs de l'Institut d'optique des semi-conducteurs et d'interfaces fonctionnelles (IHFG) de l'université de Stuttgart ont désormais réalisé une avancée décisive dans l'un des composants les plus exigeants sur le plan technique, le « répéteur quantique ». Ils en rendent compte dans la revue spécialisée Nature Communications (DOI : 10.1038/s41467-025-65912-8). Le professeur Christoph Becher et ses doctorants Tobias Bauer et Marlon Schäfer ont également participé à cette publication.
Des îlots semi-conducteurs nanométriques pour la transmission d'informations
« Pour la première fois au monde, nous avons réussi à transmettre des informations quantiques entre des photons provenant de deux points quantiques différents », déclare le professeur Peter Michler, directeur de l'IHFG et porte-parole adjoint du projet de recherche Quantenrepeater.Net (QR.N). De quoi s'agit-il ? Chaque message numérique, qu'il s'agisse d'un message WhatsApp ou d'un flux vidéo, est composé de zéros et de uns. Cela vaut également pour la communication quantique, dans laquelle des particules de lumière individuelles servent de supports d'information. Le zéro ou le un sont alors codés par deux directions différentes de polarisation des photons, c'est-à-dire leur orientation horizontale et verticale, ou par une superposition des deux états. Comme les photons obéissent aux lois de la mécanique quantique, leur polarisation ne peut pas toujours être lue complètement sans laisser de traces. Une écoute clandestine serait inévitablement découverte.
Adapter l'Internet quantique au réseau de fibre optique
Autre défi : un Internet quantique abordable utiliserait, tout comme l'Internet actuel, la fibre optique. Or, la lumière n'a qu'une portée limitée dans ce type de réseau. Les signaux lumineux normaux sont donc renouvelés tous les 50 kilomètres environ à l'aide d'un amplificateur optique à pompe laser ( ). Comme les informations quantiques ne peuvent pas être simplement amplifiées ou copiées et transmises, cela ne fonctionne pas dans l'Internet quantique. La physique quantique permet toutefois de transférer des informations d'un photon à un autre sans connaître ces informations. Ce procédé est appelé téléportation quantique.
Les répéteurs quantiques comme nœuds pour la transmission d'informations
Sur cette base, les physiciens développent des répéteurs quantiques qui renouvellent les informations quantiques avant qu'elles ne se perdent dans la fibre optique. Ils sont destinés à servir de nœuds dans l'Internet quantique. Les obstacles techniques sont toutefois importants : pour transmettre des informations quantiques par téléportation, les photons doivent être indiscernables, c'est-à-dire avoir à peu près la même taille et la même couleur. Cela est extrêmement difficile, car ils sont générés à différents endroits à partir de différentes sources. « Les quanta de lumière provenant de différents points quantiques n'ont jamais été téléportés auparavant, car cela représente un défi considérable », explique Tim Strobel, scientifique à l'IHFG et premier auteur de l'étude. Dans le cadre du projet QR.N, son équipe a développé des sources lumineuses à semi-conducteurs qui génèrent des photons presque identiques. « Dans ces îlots semi-conducteurs, des niveaux d'énergie spécifiques et fixes apparaissent, comme dans un atome », explique M. Strobel. Il est ainsi possible de générer des photons individuels aux propriétés définies sur simple pression d'un bouton. « Nos partenaires de l'Institut Leibniz pour la recherche sur les solides et les matériaux à Dresde ont produit des points quantiques qui ne diffèrent que très légèrement », explique M. Strobel. Cela permet de générer des photons presque identiques à deux endroits différents.
L'information est « téléportée » d'un photon à l'autre
À l'université de Stuttgart, l'équipe a réussi à téléporter l'état de polarisation d'un photon d'un point quantique vers un autre point quantique. L'un des points quantiques génère un photon unique, l'autre une paire de photons intriqués. « Intriqués » signifie que les partenaires forment une unité quantique, même s'ils sont séparés dans l'espace. Un partenaire de la paire se déplace vers le deuxième point quantique et interfère avec ses particules de lumière. Les deux se superposent. En raison de cette superposition, l'information du photon individuel est transmise au partenaire distant de la paire. Les « convertisseurs de fréquence quantique », qui compensent les différences de fréquence minimales restantes entre les photons, ont été déterminants pour la réussite de cette expérience. Ils ont été développés par une équipe dirigée par le professeur Christoph Becher, expert en optique quantique à l'Université de la Sarre.
Des améliorations pour des portées nettement plus longues
« Transférer des informations quantiques entre des photons provenant de différents points quantiques est une étape décisive pour couvrir à l'avenir de plus grandes distances », explique Peter Michler. Dans l'expérience menée à Stuttgart, les points quantiques n'étaient séparés que par une fibre optique d'environ dix mètres de long. « Mais nous travaillons à atteindre des distances nettement plus grandes à l' », explique Strobel. Dans des travaux antérieurs, l'équipe avait déjà montré que l'intrication des photons des points quantiques était conservée même après une transmission de 36 kilomètres à travers le centre-ville de Stuttgart. Un autre objectif est d'augmenter le taux de réussite actuel de la téléportation, qui est d'environ 70 %. Les fluctuations dans le point quantique entraînent encore de légères différences entre les photons. « Nous voulons les réduire grâce à des améliorations dans la technologie des semi-conducteurs », explique M. Strobel. « Réaliser une telle expérience était un rêve de longue date, et ces résultats sont l'aboutissement d'années d'études et de progrès scientifiques », déclare le Dr Simone Luca Portalupi, chef de groupe à l'IHFG et l'un des coordinateurs de ces travaux. Il est passionnant de voir comment des expériences axées sur la recherche fondamentale font les premiers pas vers des technologies applicables.
Groupe de recherche Quantenrepeater.Net
La recherche sur les répéteurs quantiques est financée par le ministère fédéral allemand de la Recherche, de la Technologie et de l'Aérospatiale (BMFTR) dans le cadre du projet « Quantum Repeater.Net (QR.N) ». Sous la coordination de l'Université de la Sarre (porte-parole du réseau : Prof. Dr Christoph Becher), 42 partenaires issus d'instituts de recherche, d'universités et d'entreprises commerciales se sont regroupés au sein du réseau QR.N afin d'étudier et de tester la technologie et l'utilisation des répéteurs quantiques dans les réseaux de fibres optiques. Le projet s'appuie sur les résultats du projet « Quantum Repeater.Link (QR.X) », également financé par le BMFTR (anciennement BMBF), qui, sous la direction de l'Université de la Sarre, a mené des recherches sur les bases du développement d'un répéteur quantique à l'échelle nationale de 2021 à fin 2024. Les physiciens de l'université de Stuttgart ont joué un rôle déterminant dans la conception des deux réseaux. Sous la coordination de l'Institut d'optique des semi-conducteurs et des interfaces fonctionnelles (IHFG) de l'université de Stuttgart, l'Institut Leibniz pour la recherche sur les solides et les matériaux (IFW) de Dresde et le Groupe de recherche en optique quantique de l'Université de la Sarre ont participé aux expériences sur la téléportation quantique.
Source et contact : communiqué de presse de l'université de Stuttgart
