Un chemin linéaire vers des technologies quantiques efficaces

Des chercheurs de l’Université de Stuttgart ont démontré qu’un ingrédient clé de nombreux systèmes de calcul et de communication quantiques peut être réalisé avec une efficacité qui dépasse la limite théorique supérieure communément admise, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour un large éventail de technologies quantiques photoniques.

La science quantique n’a pas seulement révolutionné notre compréhension de la nature, elle inspire également de nouveaux dispositifs révolutionnaires en matière d’informatique, de communication et de capteurs. L’exploitation des effets quantiques dans de telles « technologies quantiques » nécessite généralement une combinaison d’une connaissance approfondie des principes physiques quantiques sous-jacents, de progrès méthodologiques systématiques et d’une ingénierie intelligente.

Et c’est précisément cette combinaison que les chercheurs du groupe du professeur Stefanie Barz de l’Université de Stuttgart et du Centre pour la science et la technologie quantiques intégrées (IQST) ont réalisé dans une étude récente, dans laquelle ils ont amélioré l’efficacité d’un système essentiel. élément constitutif de nombreux dispositifs quantiques au-delà d’une limite apparemment inhérente. L’ouvrage est publié dans la revue Avancées scientifiques.

De la philosophie à la technologie

L’un des protagonistes dans le domaine des technologies quantiques est une propriété connue sous le nom d’intrication quantique. La première étape du développement de ce concept a impliqué un débat passionné entre Albert Einstein et Niels Bohr. En un mot, leur argument portait sur la manière dont les informations peuvent être partagées entre plusieurs systèmes quantiques. Il est important de noter que cela peut se produire d’une manière qui n’a pas d’analogue en physique classique.

La discussion lancée par Einstein et Bohr est restée largement philosophique jusque dans les années 1960, lorsque le physicien John Stewart Bell a imaginé un moyen de résoudre le désaccord de manière expérimentale. Le cadre de Bell a été exploré pour la première fois lors d’expériences avec les photons, les quanta de lumière. Trois pionniers dans ce domaine – Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger – ont reçu conjointement le prix Nobel de physique l’année dernière pour leurs travaux révolutionnaires sur les technologies quantiques.

Bell lui-même est décédé en 1990, mais son nom est immortalisé dans les États dits de Bell. Ceux-ci décrivent les états quantiques de deux particules aussi fortement intriquées que possible. Il existe quatre états de Bell en tout, et les mesures de l’état de Bell, qui déterminent dans lequel des quatre états se trouve un système quantique, sont un outil essentiel pour mettre l’intrication quantique en pratique. Ce qui est peut-être le plus célèbre, c’est que les mesures de l’état de Bell sont l’élément central de la téléportation quantique, qui à son tour rend possible la plupart des communications et calculs quantiques.

Mais il y a un problème : lorsque les expériences sont réalisées à l’aide d’éléments optiques conventionnels, tels que des miroirs, des séparateurs de faisceaux et des lames d’onde, deux des quatre états de Bell ont des signatures expérimentales identiques et ne peuvent donc pas être distingués l’un de l’autre. Cela signifie que la probabilité globale de réussite (et donc le taux de réussite, par exemple, d’une expérience de téléportation quantique) est intrinsèquement limitée à 50 % si seuls de tels composants optiques « linéaires » sont utilisés. Ou est-ce?

Avec toutes les cloches et les sifflets

C’est là qu’interviennent les travaux du groupe Barz. Comme ils l’ont récemment rapporté dans la revue Avancées scientifiques, les doctorants Matthias Bayerbach et Simone D’Aurelio ont effectué des mesures de l’état de Bell dans lesquelles ils ont obtenu un taux de réussite de 57,9 %. Mais comment ont-ils atteint une efficacité qui aurait dû être inaccessible avec les outils disponibles ?

Leur résultat exceptionnel a été rendu possible grâce à l’utilisation de deux photons supplémentaires en tandem avec la paire de photons intriqués. Il est connu en théorie que de tels photons « auxiliaires » offrent un moyen d’effectuer des mesures à l’état de Bell avec une efficacité supérieure à 50 %. Cependant, la réalisation expérimentale est restée insaisissable.

L’une des raisons à cela est que des détecteurs sophistiqués sont nécessaires pour déterminer le nombre de photons qui les frappent. Bayerbach et D’Aurelio ont surmonté ce défi en utilisant 48 détecteurs à photons uniques fonctionnant en synchronisation presque parfaite pour détecter les états précis de quatre photons maximum arrivant au réseau de détecteurs.

Grâce à cette capacité, l’équipe a pu détecter des distributions distinctes du nombre de photons pour chaque état de Bell, bien qu’avec un certain chevauchement pour les deux états initialement indiscernables, raison pour laquelle l’efficacité ne pouvait pas dépasser 62,5 %, même en théorie. Mais la barrière des 50 % a été franchie. De plus, la probabilité de succès peut, en principe, être arbitrairement proche de 100 %, au prix de devoir ajouter un nombre plus élevé de photons auxiliaires.

De belles perspectives

L’expérience la plus sophistiquée est en proie à des imperfections, et cette réalité doit être prise en compte lors de l’analyse des données et de la prévision du fonctionnement de la technique pour des systèmes plus vastes. Les chercheurs de Stuttgart se sont donc associés au professeur Peter van Loock, théoricien de l’université Johannes Gutenberg de Mayence et l’un des architectes du système de mesure de l’état de Bell assisté par ancilla.

Van Loock et Barz sont tous deux membres de la collaboration PhotonQ, qui rassemble des partenaires universitaires et industriels de toute l’Allemagne travaillant à la réalisation d’un type spécifique d’ordinateur quantique photonique. Le système amélioré de mesure de l’état de Bell est désormais l’un des premiers fruits de cet effort de collaboration.

Bien que l’augmentation de l’efficacité de 50 % à 57,9 % puisse paraître modeste, elle offre un énorme avantage dans les scénarios où un certain nombre de mesures séquentielles doivent être effectuées, par exemple dans la communication quantique longue distance. Pour une telle mise à l’échelle, il est essentiel que la plate-forme d’optique linéaire présente une complexité instrumentale relativement faible par rapport à d’autres approches.

Des méthodes telles que celles actuellement établies par le groupe Barz étendent notre ensemble d’outils pour faire bon usage de l’intrication quantique dans la pratique – des opportunités qui sont largement explorées au sein de la communauté quantique locale à Stuttgart et dans le Bade-Wurtemberg, sous l’égide d’initiatives telles que le partenariat de recherche de longue date IQST et le réseau QuantumBW récemment inauguré.