Publié le 2025-11-01 07:01:00. Des chercheurs japonais ont mis au point un routeur photonique innovant, capable de diriger des photons uniques et des paires de photons intriqués avec une perte de signal minimale, une avancée cruciale pour le développement des réseaux de communication quantiques sécurisés et de l’informatique quantique.
- Le nouveau dispositif préserve la polarisation des photons, un élément essentiel pour coder l’information quantique.
- Il affiche une perte de signal extrêmement faible de seulement 0,057 décibels (environ 1,3 %).
- Sa compatibilité avec les infrastructures de fibre optique existantes facilite son intégration dans les réseaux actuels.
L’essor de l’information quantique, passant du stade théorique à la phase expérimentale, nécessite le développement de composants clés pour les futurs réseaux de communication ultra-sécurisés et les ordinateurs de nouvelle génération. Cette nouvelle étude, menée par des équipes de l’Université de Tohoku et de l’Institut national des technologies de l’information et des communications du Japon, représente une étape significative dans cette direction.
Le routeur photonique développé est le premier à combiner une perte de signal extrêmement faible avec la capacité de maintenir la polarisation des photons, une propriété cruciale pour le codage de l’information quantique. Comme l’expliquent les chercheurs dans leur publication parue dans Technologies quantiques avancées, « le routage de photons uniques arbitrairement polarisés et de photons intriqués est une technologie cruciale pour développer les applications d’information quantique ».
Les réseaux de communication quantiques et certains prototypes d’ordinateurs quantiques utilisent des photons pour transporter l’information. Contrairement aux systèmes classiques qui exploitent des faisceaux de lumière composés de milliards de particules, ces technologies de pointe s’appuient souvent sur des photons individuels, ce qui les rend à la fois puissants et extrêmement sensibles. La perte d’un seul photon peut entraîner une perte d’information, et le moindre bruit introduit lors de la transmission peut perturber les états quantiques délicats.
C’est pourquoi les chercheurs ont besoin de dispositifs capables de diriger les photons sur différents chemins tout en préservant leurs propriétés intactes. La polarisation, en particulier, est l’un des supports d’information quantique, ou qubits, les plus couramment utilisés. Un routeur capable de préserver la polarisation est donc indispensable pour construire des mémoires quantiques, des canaux de communication longue distance et des réseaux à grande échelle.
Les tentatives antérieures pour concevoir de tels routeurs se sont heurtées à des difficultés majeures. Elles entraînaient souvent des pertes de signal trop importantes, ne fonctionnaient que pour des polarisations spécifiques ou nécessitaient l’ajout de compensateurs volumineux – des éléments optiques destinés à corriger les distorsions de la polarisation – ce qui réduisait la stabilité du système.
L’équipe japonaise a surmonté ces obstacles en concevant un routeur basé sur un interféromètre compact. Cet agencement divise la lumière en deux trajets avant de les recombiner, permettant aux ondes de s’amplifier ou de s’annuler en fonction de leur longueur de parcours. Combiné à des cristaux électro-optiques précisément alignés, ce dispositif permet de manipuler les photons avec une grande précision sans détruire l’information qu’ils transportent. Ces éléments corrigent les distorsions indésirables, permettant aux photons de n’importe quelle polarisation de transiter sans altération.
Les tests ont révélé que le routeur introduit une perte de seulement 0,057 décibels – soit environ 1,3 % – et commute le trajet des photons en seulement 3 nanosecondes, avec un niveau de bruit supplémentaire quasi nul. Les chercheurs rapportent que « les photons uniques, arbitrairement polarisés, sont acheminés avec une fidélité supérieure à 99 % par rapport à une opération idéale ». Ils ont également confirmé que le routeur fonctionne avec des paires de photons intriqués – des photons dont les propriétés restent liées, de sorte que la mesure de l’un affecte instantanément l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare – en préservant leurs corrélations avec une visibilité d’interférence d’environ 97 %.
Un atout majeur de ce routeur est sa compatibilité avec la bande des télécommunications, la même gamme de fréquences utilisée par les infrastructures de fibre optique actuelles. Cette compatibilité facilite son intégration directe dans les réseaux existants, un facteur essentiel pour étendre les systèmes quantiques au-delà des environnements de laboratoire.
Bien que les résultats soient prometteurs, les chercheurs soulignent que des défis subsistent. L’un d’eux concerne les pertes modestes qui se produisent lors du transfert des photons de l’espace libre vers les fibres optiques, les canaux utilisés pour guider la lumière sur de longues distances. La stabilité à long terme du système est actuellement limitée à quelques heures.
« La stabilité du routeur peut être encore améliorée en miniaturisant l’installation et en utilisant des techniques de stabilisation de phase active », écrivent les auteurs, faisant référence à des méthodes permettant d’ajuster continuellement les chemins optiques pour les maintenir équilibrés malgré les perturbations environnementales. Ils ajoutent qu’un alignement plus précis des cristaux électro-optiques – les composants qui contrôlent la modification de la polarisation des photons – pourrait encore améliorer la fidélité.
Les travaux futurs porteront sur l’intégration du routeur avec des mémoires quantiques et des techniques de multiplexage, qui permettent de combiner de nombreux photons dans des états complexes. De telles avancées pourraient ouvrir la voie à des portes quantiques universelles – des éléments de base permettant d’effectuer n’importe quel calcul quantique – et à une distribution plus efficace de l’intrication, le processus de partage de particules intriquées entre différents emplacements pour créer des liaisons de communication quantiques sécurisées. Elles pourraient également permettre des mesures de précision dépassant les limites de la physique classique.
« Notre système améliorera diverses opérations quantiques photoniques fondamentales », conclut l’équipe, « contribuant ainsi à l’avancement d’un large éventail d’applications d’information quantique. »
Source : Pengfei Wang et al., Routeur à maintien de polarisation à faibles pertes pour photons simples et intriqués à une longueur d’onde télécom, Technologies quantiques avancées (2025). DOI : 10.1002/qute.202500355
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