Vous vous souvenez peut-être de cette limite que les physiciens pensaient infranchissable : la barrière de la seconde pour le stockage d’un état quantique. Elle vient de tomber. Une équipe internationale de chercheurs est parvenue à piéger un état intriqué pendant plus d’une seconde dans un cristal dopé aux ions erbium, refroidi au zéro absolu. Un exploit qui rapproche un peu plus le rêve de l’internet quantique de la réalité.
Avant de comprendre pourquoi ce résultat marque un tournant, il faut saisir le défi auquel les physiciens sont confrontés depuis les premiers balbutiements de l’informatique quantique. L’information quantique est fragile. Terriblement fragile. Un photon, une particule de lumière, peut porter un bit quantique, ou qubit, mais dès qu’il interagit avec son environnement, cet état s’effondre. C’est ce que les spécialistes appellent la décohérence. Plus vous voulez garder l’information longtemps, plus vous devez isoler le système du monde extérieur. Et quand il s’agit de transmettre cette information à travers un réseau de fibres optiques, le défi devient titanesque.
Le mur de la seconde
Pour établir un internet quantique, c’est-à-dire un réseau capable de distribuer l’intrication entre des ordinateurs quantiques distants, vous avez besoin de mémoire quantique. Cette mémoire doit pouvoir stocker un photon intriqué le temps qu’un autre photon arrive d’une station voisine, afin de réaliser ce que les physiciens appellent un swap d’intrication. Sans cette capacité de stockage, impossible de créer des répéteurs quantiques, ces dispositifs qui permettent d’étendre la portée du réseau au-delà de quelques centaines de kilomètres.
Jusqu’à présent, les meilleures mémoires quantiques compatibles avec les longueurs d’onde télécom (autour de 1550 nanomètres, la fenêtre de transparence des fibres optiques) plafonnaient à quelques microsecondes, voire quelques millisecondes dans le meilleur des cas. La barrière de la seconde semblait un horizon lointain. Les chercheurs expliquaient que les ions erbium, pourtant les seuls à émettre et absorber la lumière exactement dans la bande télécom, étaient particulièrement sensibles aux fluctuations magnétiques ambiantes. Leur temps de cohérence, cette durée pendant laquelle un état quantique reste intact, était très court.
Mais en 2017, un travail pionnier de Milos Rančić et ses collègues de l’Australian National University avait déjà changé la donne. En appliquant un champ magnétique intense de plusieurs teslas sur un cristal d’yttrium orthosilicate (Y2SiO5) dopé à l’erbium-167 (un isotope aux propriétés nucléaires particulières), ils avaient mesuré un temps de cohérence hyperfine de 1,3 seconde. Un temps de cohérence, certes, mais pas encore un stockage effectif d’un état intriqué avec lecture à la demande. C’était un signal, pas encore une mémoire fonctionnelle.
Un cristal qui isole le message quantique du chaos ambiant
La nouvelle avancée, publiée en 2026 et relayée par le magazine SciencePost le 20 août, va bien plus loin. Les chercheurs ont cette fois réussi à réaliser du stockage spin-wave AFC (atomic frequency comb) dans un cristal d’erbium. Concrètement, cela signifie qu’ils ont transféré l’excitation optique d’un photon entrant vers un état de spin nucléaire hyperfin, où elle peut être conservée bien plus longtemps que dans l’état optique.
Le protocole mérite que l’on s’y arrête un instant. Imaginez un peigne dont les dents seraient des fréquences gravées dans le cristal par des impulsions laser. Quand un photon arrive, il est absorbé par ce peigne atomique. Au lieu de rester dans l’état optique qui se désexcite en quelques millisecondes, l’excitation est transférée vers un niveau de spin nucléaire grâce à une impulsion de contrôle. Ce spin nucléaire, isolé au sein de l’atome d’erbium, est beaucoup moins sensible au bruit environnant. Le message quantique se retrouve piégé dans une forteresse cristalline, à l’abri des agitations du monde extérieur.
L’erbium a été choisi pour une raison bien précise. Ses transitions optiques tombent exactement dans la bande C des télécommunications, autour de 1536 nanomètres. C’est la même longueur d’onde que celle utilisée par les amplificateurs à fibre dopée erbium (EDFA) qui équipent déjà les câbles sous-marins de l’internet classique. En d’autres termes, le matériau est non seulement compatible avec l’infrastructure existante, mais il n’a pas besoin de conversion de fréquence, un processus complexe et source de pertes supplémentaires.
Comment les chercheurs ont franchi le cap de la seconde
Le cristal utilisé est un Y2SiO5 dopé à 5 parties par million (ppm) d’erbium-167, placé dans un cryostat à hélium-3 maintenu à environ 500 millikelvins (soit un demi-degré au-dessus du zéro absolu). Un champ magnétique de 3 teslas est appliqué selon une orientation précise par rapport aux axes cristallins. Dans ces conditions extrêmes, les fluctuations de spin électronique, principale source de décohérence, sont fortement réduites.
Les chercheurs ont mesuré des efficacités de transfert de l’ordre de 12 % entre l’état optique et l’état de spin hyperfin. Ce chiffre peut paraître modeste, mais il s’agit de la première démonstration de ce transfert cohérent dans l’erbium. Surtout, les résultats montrent que des temps de stockage dépassant la seconde sont désormais accessibles en combinant un découplage dynamique et des champs magnétiques plus élevés. Les mêmes chercheurs estiment que des modifications modérées de l’expérience, notamment une augmentation de 50 % du champ magnétique, pourraient multiplier par dix l’efficacité et le temps de stockage.
Un autre résultat notable est la capacité de ce cristal à stocker plusieurs modes temporels simultanément. Jusqu’à 20 modes ont été stockés et récupérés individuellement, une propriété essentielle pour le multiplexage dans les futurs répéteurs quantiques. Sans cette capacité, le débit de génération d’intrication serait trop faible pour être utilisable à l’échelle d’un continent.
Vers des répéteurs quantiques à l’échelle continentale
Pour comprendre pourquoi ce résultat est crucial, il faut revenir au principe des répéteurs quantiques. Dans les fibres optiques, un signal lumineux s’atténue exponentiellement avec la distance. Au bout de 100 kilomètres, il ne reste presque plus rien. Avec des bits classiques, vous pouvez amplifier le signal. Mais en mécanique quantique, vous ne pouvez pas amplifier un qubit sans le mesurer, ce qui détruit son état. Il faut donc des répéteurs quantiques qui utilisent l’intrication et le swap d’intrication pour propager l’information sans jamais la mesurer directement.
Le principe est le suivant : si vous divisez une longue distance en segments de 50 kilomètres, chaque segment produit une paire de photons intriqués. En stockant un photon de chaque paire dans une mémoire quantique, vous pouvez réaliser un swap d’intrication entre les deux mémoires adjacentes, étendant ainsi la portée. Plus la mémoire conserve longtemps les états intriqués, plus vous avez de temps pour synchroniser les opérations entre les nœuds du réseau.
Avec un temps de stockage d’une seconde, les chercheurs ouvrent la possibilité de relier des ordinateurs quantiques distants de plusieurs centaines, voire milliers de kilomètres. C’est le seuil qui permet d’envisager un internet quantique à l’échelle européenne ou nord-américaine.
D’autres plateformes progressent en parallèle. Des mémoires quantiques dans le niobate de lithium sur couche mince (TFLN) ont montré des efficacités de stockage de 23 % sur 100 nanosecondes, avec la possibilité de router les photons stockés par effet électro-optique. Une autre équipe a démontré un stockage en nanophotonique dépassant la microseconde. Mais l’erbium en cristal massif conserve l’avantage décisif du temps de cohérence long, grâce à ses états hyperfins.
Les défis qui restent à relever
Ne nous emballons pas trop vite. Plusieurs obstacles séparent encore cette avancée de laboratoire d’un déploiement concret. Le fonctionnement à 500 millikelvins nécessite un cryostat sophistiqué, ce qui rend chaque nœud de répéteur coûteux et volumineux. Les champs magnétiques de plusieurs teslas imposent des bobines supraconductrices lourdes. Et l’efficacité de stockage, pour l’instant autour de 12 %, devra grimper bien au-delà pour que le système soit pratique.
Mais les chercheurs ont identifié les leviers. L’utilisation de cavités optiques pour augmenter l’interaction lumière-matière (le couplage impédance) pourrait porter l’efficacité à près de 80 %. Les séquences de découplage dynamique, combinant des impulsions micro-ondes pour refocaliser les spins, peuvent étendre le temps de cohérence bien au-delà de la seconde. Certains travaux récents suggèrent des temps de cohérence hyperfine pouvant atteindre 25 secondes à l’échelle de la population, ce qui laisse entrevoir des stockages de plusieurs dizaines de secondes.
Enfin, l’intégration sur puce photonique est en bonne voie. Des équipes travaillent déjà sur des dispositifs en niobate de lithium dopé à l’erbium, fabriqués en salle blanche, qui combineraient le meilleur des deux mondes : la mémoire longue durée de l’erbium et la miniaturisation offerte par la photonique intégrée.
La barrière de la seconde est tombée. La prochaine étape sera celle de la seconde utile, celle où le stockage s’accompagne d’une efficacité suffisante pour alimenter un véritable réseau. Les pièces du puzzle s’assemblent, et il n’est pas exclu que dans une décennie, vos données les plus sensibles voyagent non plus sous forme de bits classiques, mais de qubits intriqués, protégés par un cristal d’erbium refroidi près du zéro absolu.
Sources
- Rančić, M., Hedges, M.P., Ahlefeldt, R.L. et al. (2018). Coherence time of over a second in a telecom-compatible quantum memory storage material. Nature Physics, 14, 50-54.
- Équipe de recherche (2026). On-Demand Coherent Mapping of Telecom Optical States onto Erbium Hyperfine Spins. arXiv, 2606.15009.
- Brice L. (20 août 2026). On pensait la barrière de la seconde infranchissable en informatique quantique : des physiciens viennent de la faire tomber avec un cristal. SciencePost.
- Saglamyurek, E. et al. (2015). Quantum storage of entangled telecom-wavelength photons in an erbium-doped optical fibre. Nature Photonics, 9, 83-87.
- Gupta, S. et al. (2026). Erbium Quantum Memory Platform with Long Optical Coherence via Back-End of Line Deposition on Foundry-Fabricated Photonics. Physical Review Applied.
