Au cours des dernières décennies, les physiciens et ingénieurs quantiques ont tenté de développer de nouveaux systèmes de communication quantiques fiables. Ces systèmes pourraient à terme servir de banc d’essai pour évaluer et faire progresser les protocoles de communication.
Des chercheurs de l’Université de Chicago ont récemment introduit un nouveau banc d’essai de communication quantique avec des nœuds supraconducteurs distants et ont démontré une communication multiphotonique bidirectionnelle sur ce banc d’essai. Leur papier, publié dans Lettres d’examen physiquepourrait ouvrir une nouvelle voie vers la réalisation d’une communication efficace d’états quantiques complexes dans des circuits supraconducteurs.
« Nous développons des qubits supraconducteurs pour l’informatique quantique modulaire et comme banc d’essai de communication quantique », a déclaré Andrew Cleland, co-auteur de l’article, à Phys.org. « Les deux reposent sur la capacité de communiquer des états quantiques de manière cohérente entre des « nœuds » de qubits connectés les uns aux autres avec un réseau de communication clairsemé, généralement une seule ligne de transmission physique. »
L’étude récente des chercheurs s’appuie sur deux articles de recherche antérieurs publiés dans Physique naturelle et Nature. Dans ces travaux antérieurs, l’équipe a démontré qu’elle pouvait générer une intrication à distance et envoyer des états quantiques complexes, ce dernier un qubit à la fois.
« Dans notre nouvelle étude, nous voulions essayer d’envoyer des états quantiques complexes représentant plusieurs qubits en même temps », a déclaré Cleland. « Pour ce faire, nous avons chargé l’état quantique à envoyer dans un résonateur, puis envoyé l’intégralité de l’état du résonateur dans la ligne de transmission, en le capturant avec un résonateur distant pour une analyse ultérieure. »
Les résonateurs, dispositifs qui présentent une résonance électrique, ont un nombre nominalement infini de niveaux quantiques. En conséquence, ils sont théoriquement capables de stocker des états très complexes qui codent plusieurs qubits de données. En raison de ces caractéristiques avantageuses, l’utilisation de résonateurs pour envoyer et recevoir des données pourrait augmenter la bande passante disponible.
Dans leur expérience, Cleland et ses collègues ont utilisé deux qubits supraconducteurs, chacun étant connecté à un résonateur supraconducteur accordable. Chacun de ces résonateurs était à son tour connecté à une ligne de transmission de 2 m de long via un dispositif appelé coupleur variable.
« Nous utilisons un qubit supraconducteur pour « programmer » différents états quantiques sur son résonateur compagnon, en utilisant méthodes que nous avons établi il y a de nombreuses années« , a déclaré Cleland.
« Nous activons ensuite le couplage du résonateur à la ligne de transmission, libérant l’état quantique (éventuellement complexe) du résonateur dans la ligne de transmission, où il est transmis sous la forme d’un ensemble (éventuellement complexe) de photons mobiles intriqués. Ceux-ci sont alors « attrapé » par l’autre résonateur en utilisant l’inverse du processus de libération, et nous utilisons le qubit de ce résonateur pour analyser l’état reçu. Le système peut transmettre aussi bien dans les deux sens (donc « bidirectionnel »).
La conception mise en œuvre par les chercheurs leur a permis de réaliser la transmission bidirectionnelle de photons à micro-ondes uniques, ainsi que la transmission simultanée d’un état Fock à deux photons |2> dans une direction avec la transmission d’un état Fock à un photon |1 > dans l’autre sens, ainsi que la transmission (séparée) des états de Fock de photons superposés |0>+|1> et |0>+|2>.
« Nous avons ensuite montré la génération d’états dits N00N, représentant l’intrication entre les deux résonateurs, réalisant finalement d’abord la génération de l’état intriqué |10>+|01> avec un photon « partagé » entre les deux résonateurs, puis la génération de l’état |20>+|02>, avec deux photons « partagés » de la même manière », a déclaré Cleland.
« Dans l’ensemble, nos travaux démontrent une voie réalisable vers une communication hautement efficace d’états quantiques plus complexes que de simples photons uniques entre deux nœuds. »
Le nouveau banc d’essai de communication quantique introduit par Cleland et ses collègues pourrait bientôt ouvrir la voie à de nouveaux travaux et avancées. Premièrement, il pourrait être utilisé pour réaliser un calcul distribué, dans lequel chaque nœud d’un circuit effectue des calculs et communique efficacement les résultats à un autre nœud. De plus, il pourrait être utilisé pour démontrer des systèmes dans lesquels deux nœuds partagent un état complexe et chacun effectue des manipulations distinctes sur cet état.
« Notre plate-forme pourrait également être utilisée pour la communication quantique, où, par exemple, des informations quantiques codées d’une certaine complexité pourraient être transmises en un seul transfert », a ajouté Cleland.
« Nous travaillons actuellement sur un certain nombre d’aspects différents de cette expérience ; par exemple, nous prévoyons d’augmenter le nombre de nœuds (qui étaient deux dans notre récente expérience), d’augmenter la fidélité du processus et d’explorer ce qui est possible si nous avoir davantage de canaux de communication en parallèle. »
Plus d’information:
Joel Grebel et al, Communication multiphotonique bidirectionnelle entre nœuds supraconducteurs distants, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.047001. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2310.00124
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