Des portes quantiques optiques plus efficaces

Les futurs ordinateurs quantiques devraient non seulement résoudre des tâches informatiques particulièrement délicates, mais aussi être connectés à un réseau pour l’échange sécurisé de données. En principe, des portes quantiques pourraient être utilisées à ces fins. Mais jusqu’à présent, il n’a pas été possible de les réaliser avec une efficacité suffisante. Grâce à une combinaison sophistiquée de plusieurs techniques, les chercheurs de l’Institut Max Planck d’optique quantique (MPQ) ont franchi une étape majeure pour surmonter cet obstacle.

Pendant des décennies, les ordinateurs sont devenus plus rapides et plus puissants à chaque nouvelle génération. Ce développement permet d’ouvrir constamment de nouvelles applications, par exemple dans les systèmes à intelligence artificielle. Mais de nouveaux progrès deviennent de plus en plus difficiles à réaliser avec la technologie informatique établie. Pour cette raison, les chercheurs se tournent maintenant vers des concepts alternatifs complètement nouveaux qui pourraient être utilisés à l’avenir pour certaines tâches informatiques particulièrement difficiles. Ces concepts incluent les ordinateurs quantiques.

Leur fonction n’est pas basée sur la combinaison de zéros et de uns numériques – les bits classiques – comme c’est le cas avec les ordinateurs microélectroniques conventionnels. Au lieu de cela, un ordinateur quantique utilise des bits quantiques, ou qubits en abrégé, comme unités de base pour le codage et le traitement des informations. Ils sont les homologues des bits dans le monde quantique, mais diffèrent d’eux par une caractéristique cruciale : les qubits peuvent non seulement prendre deux valeurs ou états fixes tels que zéro ou un, mais également toutes les valeurs intermédiaires. En principe, cela offre la possibilité d’effectuer plusieurs processus de calcul simultanément au lieu de traiter une opération logique après l’autre.

Communication à l’épreuve des écoutes avec des qubits optiques

« Il existe différentes manières de mettre en œuvre physiquement le concept de qubits », explique Thomas Stolz, qui a entrepris des recherches sur les principes fondamentaux des ordinateurs quantiques à l’Institut Max Planck d’optique quantique (MPQ) à Garching. « L’un d’eux est les photons optiques. » Et dans leurs recherches, Stolz et ses collègues de l’équipe dirigée par le Dr Stephan Dürr et le directeur du MPQ, le professeur Dr Gerhard Rempe, se sont également appuyés sur ces particules lumineuses du domaine spectral visible. « L’un des avantages des photons en tant que supports d’informations dans un ordinateur quantique est leur faible interaction entre eux et avec l’environnement », explique Stolz. « Cela évite que la cohérence, nécessaire à l’existence des qubits, ne soit rapidement détruite par des perturbations extérieures. » De plus, les photons peuvent être transportés sur de longues distances, par exemple dans une fibre optique. « Cela en fait un candidat particulièrement prometteur pour la construction de réseaux quantiques », déclare Stolz : des connexions de plusieurs ordinateurs quantiques sur lesquels des données cryptées peuvent être transmises en toute sécurité et de manière fiable contre les tentatives d’écoute clandestine.

Les composants de base d’un ordinateur quantique – et donc aussi d’un réseau quantique – sont des portes quantiques. Elles correspondent dans leur mode de fonctionnement aux portes logiques utilisées dans les machines informatiques classiques, mais sont adaptées aux propriétés particulières des qubits. « Les portes quantiques pour qubits implémentées dans des ions piégés ou des matériaux supraconducteurs sont actuellement les plus avancées techniquement », explique Stephan Dürr. « Cependant, réaliser un tel élément avec des photons est beaucoup plus difficile. » Car dans ce cas, l’avantage des interactions faibles se transforme en un inconvénient tangible. Car, pour pouvoir traiter l’information, les particules lumineuses doivent pouvoir s’influencer les unes les autres. Les chercheurs du MPQ ont montré comment y parvenir efficacement dans un article, qui vient d’être publié dans la revue en libre accès Examen physique X.

Les tentatives précédentes pour réaliser des portes quantiques qui relient deux photons l’un à l’autre n’ont été que partiellement couronnées de succès. Ils ont surtout souffert de leur faible rendement de, au mieux, 11 %. Cela signifie qu’une grande partie des particules légères, et donc aussi des données, sont perdues lors du traitement dans le système quantique – une lacune, en particulier lorsque de nombreuses portes quantiques doivent être connectées consécutivement dans un réseau quantique et que les pertes s’additionnent comme un résultat. « En revanche, nous avons réussi pour la première fois à réaliser une porte optique à deux qubits avec une efficacité moyenne de plus de 40 % », rapporte Stephan Dürr, soit près de quatre fois le record précédent.

Atomes ultrafroids dans un résonateur

« La base même de ce succès était l’utilisation de composants non linéaires », explique Stolz. Ils sont contenus dans une nouvelle plate-forme expérimentale que l’équipe de MPQ a développée spécifiquement pour l’expérience et installée dans le laboratoire. Ce faisant, les chercheurs ont pu s’appuyer sur l’expérience de travaux antérieurs qu’ils avaient publiés en 2016 et 2019. L’une des conclusions était qu’il est utile pour le traitement de l’information avec des photons d’utiliser un gaz atomique froid dans lequel quelques atomes sont très excités énergétiquement. « Les atomes assurent la médiation de l’interaction nécessaire entre les photons », explique Stolz. « Cependant, des travaux antérieurs ont également montré que la densité des atomes ne doit pas être trop élevée, sinon les informations codées sont rapidement effacées par les collisions entre les atomes. » Par conséquent, les chercheurs ont maintenant utilisé un gaz atomique de faible densité, qu’ils ont refroidi à une température de 0,5 microkelvin, soit un demi-millionième de degré au-dessus du zéro absolu à moins 273,15 degrés Celsius. « En tant qu’amplificateur supplémentaire pour l’interaction entre les photons, nous avons placé les atomes ultrafroids entre les miroirs d’un résonateur optique », rapporte Stolz.

Cela a conduit au succès de l’expérience, dans laquelle la porte quantique a traité les qubits optiques en deux étapes : un premier photon, appelé photon de contrôle, a été introduit dans le résonateur et y est stocké. Ensuite, un deuxième photon, appelé photon cible, est entré dans la configuration et a été réfléchi par les miroirs du résonateur – « le moment où l’interaction a eu lieu », souligne Stolz. Enfin, les deux photons ont quitté la porte quantique, avec les informations imprimées dessus. Pour que cela fonctionne, les physiciens ont utilisé une autre astuce. Ceci est basé sur des excitations électroniques des atomes de gaz à des niveaux d’énergie très élevés, appelés états de Rydberg. « Cela provoque l’expansion immensément de l’atome excité – dans l’image classique -« , explique Stolz. Il atteint un rayon allant jusqu’à un micromètre, soit plusieurs milliers de fois la taille normale de l’atome. Les atomes du résonateur ainsi gonflés permettent alors aux photons d’avoir un effet suffisamment fort les uns sur les autres. Ceci, cependant, ne provoque initialement qu’un déphasage. De plus, la lumière est scindée en différents trajets qui se superposent ensuite. Seule l’interférence mécanique quantique lors de cette superposition transforme le déphasage en une porte quantique.

L’objectif : des systèmes quantiques évolutifs

L’expérience a été précédée d’une analyse théorique élaborée. L’équipe MPQ avait spécialement développé un modèle théorique complet pour optimiser le processus de conception de la nouvelle plateforme de recherche. D’autres investigations théoriques montrent comment les chercheurs espèrent améliorer l’efficacité de leur porte quantique optique à l’avenir. Ils veulent également découvrir comment la porte quantique peut être étendue à des systèmes plus grands, en traitant simultanément de nombreux qubits. « Nos expériences jusqu’à présent ont déjà montré que cela est possible en principe », déclare Gerhard Rempe, directeur du groupe. Il en est convaincu : « Nos nouvelles découvertes seront d’une grande utilité dans le développement d’ordinateurs quantiques basés sur la lumière et de réseaux quantiques. »