Voici comment fonctionne la torche quantique qui voyage en train à travers l’Europe

Une torche quantique voyage en train à travers l’Europe et visite douze laboratoires répartis dans différentes parties du continent. Le projet QuanTourpiloté par le Société allemande de physiquefavorise Année internationale des sciences et technologies quantiques (2025). Et le flambeau quantique a déjà été allumé.

Mais le flambeau n’est pas qu’une icône. L’un de ses principaux objectifs est de montrer en coulisses comment une étape importante est franchie (l’émission de photons individuels avec des émetteurs quantiques) et quel est l’impact transformateur de cette technologie. Les expériences détectant des particules lumineuses individuelles confirment la nature quantique fascinante de la lumière.

Comment fonctionne la torche quantique

Prenez un photon, un seul photon. Nous devons, pour commencer, construire un environnement capable d’émettre cette particule lumineuse une à la fois. Ceci peut être réalisé dans un « puits quantique » pour les électrons, à partir duquel nous émettons un seul photon. Et c’est bien un point quantique semi-conducteur.

Le puits est composé d’environ 10 000 atomes de matériaux tels que l’indium, le gallium et l’arsenic. Les atomes forment une « lentille » nanométrique. Son diamètre : environ 50 nm et une hauteur d’environ 7 nm.

Au sein du « puits quantique », les électrons sont obligés d’occuper certains niveaux d’énergie, comme cela se produit avec un électron en orbite autour d’un atome. Nous pouvons exciter ces états électroniques dans le point quantique en appliquant un faisceau laser. Cependant, la chose intéressante se produit lorsqu’un électron est désexcité entre deux niveaux du puits. C’est à ce moment-là que l’électron émet un seul photon. Nous l’avons!

Nous avons ainsi créé une torche quantique, une nouvelle technologie qui nous permet d’utiliser des photons individuels pour amener la communication et l’informatique au régime quantique, avec des propriétés et des utilités uniques.

Une torche efficace

Pour que la source de photons fonctionne efficacement, nous avons couplé au puits quantique un résonateur photonique: un piège pour piéger les photons pendant un temps ultra-court dans un espace comparable à la longueur d’onde du photon.

Ce piège photonique améliore les propriétés d’émission de la boîte quantique. Ainsi, l’émission spontanée est plus rapide et dans une direction d’émission que l’on peut contrôler.

Le résonateur a la forme d’une grille circulaire, semblable à un jeu de fléchettes, où les distances entre les réseaux circulaires sont d’environ 100 nm, avec une épaisseur et une hauteur d’environ 100 à 200 nm.

En laboratoire, la source est refroidie dans un cryostat jusqu’à une température de 7 degrés au-dessus du zéro absolu (−273,15 °C), ce qui équivaut à environ -266 °C. Il fait presque le plus froid possible.

Le point quantique est situé au centre de cette cible et provoque l’émission beaucoup plus rapide de tous les photons individuels, avec des propriétés optimales pour une utilisation ultérieure dans d’éventuelles applications quantiques.

La mesure de ces photons individuels émis par la torche quantique est un symbole dans cette activité de sensibilisation. Cependant, les sources de photons uniques sont déjà considérées comme une révolution technologique utile.

Le nouveau cryptage

Assurer notre sécurité dans la vie virtuelle est un défi de plus en plus complexe.

Par exemple, actuellement, les communications cryptées utilisent le protocole RSA appliquer le produit de deux nombres premiers pour coder les données. Ce système largement utilisé repose sur le fait qu’il est difficile de factoriser le produit de deux grands nombres premiers, si difficile qu’il nécessite un énorme effort de calcul. Les algorithmes quantiques pourraient effectuer ce processus à une vitesse beaucoup plus rapide et efficace.

Pour que cela soit possible, nous devons utiliser des photons individuels qui serviront au développement des communications quantiques. Nous exploiterons ainsi les propriétés quantiques d’un photon unique, notamment sa polarisation.

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Un photon peut être représenté comme une onde électromagnétique oscillant perpendiculairement à sa direction de propagation. Chaque photon peut avoir des directions d’oscillation spécifiques, c’est-à-dire des polarisations spécifiques. Cette polarisation photonique peut être utilisée pour coder un message avec un cryptage 100 % sécurisé. Par ailleurs, le théorème de non-clonage garantit qu’il est impossible de créer une copie indépendante et identique d’un état quantique. Un exemple de ces algorithmes de chiffrement est Protocole Bennett-Brassard 1984 (BB84) .

Sécurité maximale

L’avantage d’utiliser ces méthodes quantiques pour transmettre un message réside dans sa sécurité inconditionnelle : le message ne peut être intercepté ou manipulé sans que l’émetteur et le destinataire ignorent la présence d’un espion.

Par exemple, lorsqu’une mesure est effectuée sur un état quantique (un photon), cet état disparaît et son information est perdue. Si un espion essayait d’obtenir des informations sans être découvert, après avoir détecté le photon envoyé, il devrait en envoyer un autre avec la même information au récepteur.

Le problème est que l’espion ne connaîtrait pas la base de la polarisation dans laquelle le photon a été envoyé, faisant des erreurs dans le codage du nouveau photon qui serait envoyé au récepteur, donc de cette façon, il serait enfin découvert. On peut imaginer un voleur dans un musée de peinture essayant de voler un tableau, et laissant à sa place une imitation de tableau qui n’a rien à voir avec l’original. Ce serait certainement un désastre.

Le voyage de la torche a donc déjà commencé et il est possible de le suivre de près dans le Compte Instagram officiel de QuanTour.

Au cours de ce trajet, la source voyagera en train à travers l’Europe, restant dans chaque laboratoire pendant deux semaines pour achever la démonstration de l’émission de photons uniques à chaque destination.