Un pont de diamant entre le rubidium et la fibre optique ✛

Un faisceau de lumière visible pénètre dans un nuage de milliards d'atomes de rubidium refroidis presque au zéro absolu, et en ressort de l'autre côté déjà dans le domaine des télécommunications. C'est le travail d'un traducteur qui ne perd pas le sens de la phrase : les atomes reçoivent un photon sur le « langage » de 795 nanomètres et le restituent sur celui de 1367 nanomètres, adapté aux voyages dans la fibre optique. La traduction elle-même prend moins d'une microseconde, mais c'est elle qui décide si l'internet quantique fonctionnera.

Les réseaux quantiques relient des nœuds distants par fibre optique, mais les meilleurs candidats pour la mémoire quantique, les atomes, émettent dans le domaine visible, où les pertes dans le verre sont énormes. Pour transmettre un état quantique sur une longue distance, il faut le convertir dans le domaine des télécommunications sans le détruire. Dans ce travail, le traducteur est un nuage froid de rubidium 87 piégé dans un piège magnéto-optique. Trois faisceaux laser, un faisceau sonde à 795 nm, un faisceau de liaison à 780 nm et un faisceau de contrôle à 1324 nm, convergent dans le nuage, où un mélange à quatre ondes en schéma diamant (un processus non linéaire où trois ondes en engendrent une quatrième) produit un photon signal à 1367 nm.

Auparavant, les systèmes atomiques de conversion de fréquence accusaient un retard en efficacité par rapport aux cristaux à l'état solide, et le record de 65 % dans un ensemble froid n'était pas confirmé par des données expérimentales détaillées. Désormais, il est démontré que le schéma diamant dans le rubidium froid donne 66 % et 80 % pour des densités optiques de 75 et 110 respectivement, soit plus que tous les résultats atomiques antérieurs. L'astuce clé est le choix des sous-niveaux de Zeeman (les états énergétiques de l'atome séparés par le champ magnétique) formant une transition cyclique, ce qui élimine les pertes de population et préserve la cohérence. L'optimisation des paramètres a été effectuée en s'appuyant sur les spectres mesurés de transparence électromagnétiquement induite (un effet quantique qui rend le milieu transparent pour le faisceau sonde) des deux configurations intégrées, de type V et en cascade.

Ce traducteur peut déjà servir d'interface entre une mémoire quantique atomique et une ligne à fibre optique dans des prototypes de répéteurs quantiques. La prochaine étape est de remplacer le champ sonde cohérent faible par une véritable source de photons uniques et de vérifier directement la préservation de la pureté quantique de l'état converti. Le modèle théorique prédit qu'à une densité optique de 200, l'efficacité approchera 90 %. Alors, les nœuds atomiques pourront échanger des photons dans le domaine des télécommunications sans perte d'information quantique, et le rêve d'un internet quantique se rapprochera d'un pas.