Des chercheurs ont fait un grand pas vers la communication quantique ultrasécurisée en fusionnant avec succès deux concepts lauréats du prix Nobel : l’intrication et les points quantiques. En intégrant des points quantiques dans un nanofil, les experts ont pu créer une source de photons intriqués presque parfaite, soit une intrication presque 65 fois plus efficace qu’avec les techniques précédentes. Cela a permis de simuler une « distribution quantique de clés », une technique de communication quasi inviolable.
L’intrication quantique (ou enchevêtrement quantique) est un phénomène au cours duquel une ou plusieurs paires de particules forment un système lié et présentent des états quantiques interdépendants, quelle que soit la distance qui les sépare. Il existe ainsi une constante corrélation entre les propriétés physiques de ces particules. Ce principe a été démontré expérimentalement pour la première fois par Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger, leur valant le prix Nobel de physique en 2022.
Depuis, le phénomène est largement étudié pour ses possibilités d’application dans les technologies de communication et d’imagerie avancées. Cependant, un défi majeur subsiste quant à l’obtention d’intrications suffisamment stables pour de telles applications. « La combinaison d’un degré élevé d’intrication et d’une efficacité élevée est nécessaire pour des applications passionnantes telles que la distribution de clés quantiques ou les répéteurs quantiques, qui devraient étendre la distance de communication quantique sécurisée à l’échelle mondiale ou relier des ordinateurs quantiques distants », explique Michael Reimer dans un communiqué de l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo (en Belgique).
Afin de surmonter ce défi, les points quantiques sont depuis peu explorés. Expérimentés pour la première fois par Moungi Bawendi, Louis Brus et Alexeï Iekimov, les prix Nobel 2023 de chimie, il s’agit de nanostructures cristallines de semiconducteurs, contenant entre quelques centaines et quelques milliers d’atomes. Il est suggéré que leur structure offrirait un niveau de confinement suffisamment élevé pour générer efficacement des photons parfaitement intriqués.
Cependant, là encore, une difficulté, liée à un phénomène appelé « division de structure fine », subsiste. « Historiquement, les systèmes de points quantiques étaient confrontés à un problème appelé division de structure fine, qui provoque l’oscillation d’un état intriqué au fil du temps. Cela signifie que les mesures prises avec un système de détection lent empêchent la mesure de l’intrication », explique Matteo Pennacchietti, également chercheur à l’IQC.
Dans leur nouvelle étude, récemment parue dans la revue Communications Physics, Pennacchietti et ses collègues proposent de surmonter ces deux difficultés en même temps par le biais d’un nouveau système de points quantiques. Ces derniers ont permis de produire des paires de photons intriqués quasi parfaites. « Les expériences précédentes montraient uniquement soit un enchevêtrement presque parfait, soit un rendement élevé, mais nous sommes les premiers à répondre à ces deux exigences avec un point quantique », indique Reimer.
65 fois plus efficace que les techniques précédentes
Pour développer leur nouvelle source d’intrication photonique, les chercheurs ont intégré des points quantiques à base d’indium à l’intérieur de nanofils. Cette source peut générer à la demande des paires de photons intriqués par le biais de lasers. Ensuite, ils ont combiné les points quantiques avec des détecteurs de photons uniques à haute résolution. Contrairement aux précédentes techniques de détection, cela permet un horodatage très précis de l’état d’intrication au niveau de chaque point — ce qui permettrait d’obtenir des intrications presque parfaites.
Au cours d’expériences en laboratoire, le nouveau système a permis de générer des paires de photons avec un niveau d’intrication maximal de 98 %. L’efficacité de génération obtenue est 65 fois supérieure à celle des techniques précédentes. Ce potentiel a permis de fournir une source de photons intriqués pour la distribution ou échange quantique de clés (quantum key distribution, ou QKD).
La QKD est un système visant à échanger de manière hautement sécurisée des informations confidentielles entre deux personnes communiquant par le biais d’un canal partagé. Plus précisément, il permet à deux personnes de produire et d’échanger des clés secrètes, qui sont utilisées pour chiffrer et déchiffrer des messages. Étant donné qu’il est basé sur la mécanique quantique, une intrusion, générant des anomalies, serait immédiatement détectable.
