Les ordinateurs quantiques, des machines qui exploitent les états quantiques pour effectuer des calculs et stocker des données, pourraient bientôt révolutionner l’industrie informatique, atteignant des vitesses et des performances nettement supérieures à celles des ordinateurs existants. Alors que d’innombrables entreprises dans le monde, dont Google et IBM ainsi que de petites start-ups, ont commencé à travailler sur les technologies quantiques, l’architecture exacte qui conduira à leur production de masse reste floue.
Des chercheurs de l’Université Leibniz de Hanovre ont récemment mené une étude théorique sur la possibilité de réaliser des portes à qubits volants pour les ordinateurs quantiques qui sont insensibles aux formes d’onde des photons, et qui préservent également pleinement ces formes pendant le traitement. Leur article, publié dans Lettres d’examen physiquepourrait servir de base au développement de nouvelles portes capables de traiter plus efficacement les paquets d’ondes photoniques intriqués que ceux non intriqués.
« Il existe plusieurs architectures candidates pour le développement de la technologie quantique, notamment les supraconducteurs, les pièges à ions, l’état solide, l’optique, etc. », a déclaré Ihar Babushkin, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. « Quelle que soit l’architecture que nous considérons, les photons, les quanta de lumière, joueront un rôle important, car dans presque toutes les architectures, les médiateurs entre les bits d’information quantique (qubits) sont des photons. »
Les ordinateurs quantiques optiques restent ici séparément, puisque les photons n’assurent pas seulement l’interaction entre les qubits ; ce sont aussi des qubits eux-mêmes. Comme les photons ne sont pas affectés par la décohérence (c’est-à-dire un processus par lequel l’environnement interagit avec les qubits et modifie leurs états quantiques, entraînant la perte d’informations qu’ils stockent), ils sont idéaux pour transporter en toute sécurité des informations quantiques.
« Pour les photons, la décohérence n’est pas un problème car les photons n’interagissent pas avec les photons et interagissent à peine avec la matière », a expliqué Babushkin. « Cependant, cela devient un problème dès que l’on veut manipuler des photons : le manque d’interaction rend difficile la manipulation des photons et rend donc difficile la réalisation de calculs quantiques. Malgré cela, des équipes du monde entier continuent de mener des recherches dans ce sens, car la photonique le traitement de l’information est extrêmement attrayant, s’il peut être réalisé, car il peut être effectué à température ambiante. »
Une approche existante pour le traitement de l’information photonique est connu sous le nom de « calcul basé sur la mesure ». Cette approche ne nécessite que des éléments linéaires, tels que des séparateurs de faisceau et la mesure de photons auxiliaires.
Une méthode alternative est conversion cohérente de photons (CPC). Il s’agit d’une technique qui amplifie les interactions optiques non linéaires, processus par lesquels quatre ondes sont mélangées entre des photons, à l’aide d’un puissant faisceau laser supplémentaire.
Malgré leurs différences, ces deux approches différentes partagent une limite commune. Plus précisément, ils nécessitent tous deux, comme on le croyait jusqu’à présent, des photons d’entrée « identiques » (c’est-à-dire indiscernables et non corrélés les uns aux autres dans le temps et dans l’espace).
« Cette exigence est nécessaire car sinon les photons deviennent distincts, brisant leur interférence quantique », a déclaré Babushkin. « Il s’agit d’une limitation sévère, car elle nécessite que tous les photons soient produits avec des sources de photons complètement indépendantes mais identiques. Produire de nombreux photons identiques n’est pas une tâche facile. »
Dans leur article, Babushkin et ses collègues ont montré que cela pouvait être réalisé en utilisant une variante de la méthode CPC. Plus précisément, ils ont théoriquement démontré que le CPC pouvait être utilisé pour réaliser des portes à qubits volants qui fonctionnent aussi bien pour des photons corrélés, non identiques et distinguables, préservant leurs propriétés photoniques spatio-temporelles pendant leur fonctionnement. Pour ce faire, ils ont utilisé une variante d’une approche CPC proposé par une équipe de l’Université Macquarie et de l’Imperial College.
« Dans cette approche, les photons en interaction et la puissante pompe laser se propagent à des vitesses différentes et se rencontrent à un moment donné », a déclaré Babushkin. « Nous avons montré que dans ce cas, l’interaction photonique apparaît sous la forme d’un front d’interaction net, qui peut être aussi petit que des centaines d’attosecondes dans le temps (une attoseconde équivaut à 10-18 de seconde) et quelques nanomètres dans l’espace. La taille de ce front est déterminé par la vitesse maximale avec laquelle les atomes peuvent réagir à l’excitation optique. »
Babushkin et ses collègues ont montré qu’en utilisant leur approche, dès que la forme d’onde (c’est-à-dire la forme d’impulsion) des photons en interaction est beaucoup plus grande que l’échelle attoseconde, ce qui est toujours le cas pour les fréquences optiques, les morceaux séparés des formes d’onde photonique traitées indépendamment. En conséquence, la forme d’onde des photons dans le système reste intacte.
« Nous pensons que notre principale réalisation est d’avoir montré qu’il est possible de créer des portes qui fonctionnent de manière indépendante et tolérante à la forme des ondes », a déclaré Babushkin. « Une telle possibilité n’était pas évidente, au contraire, on croyait que de telles portes étaient impossibles. »
À l’avenir, l’hypothèse introduite par cette équipe de chercheurs pourrait être testée expérimentalement en laboratoire, pour confirmer si leurs prédictions théoriques sont vraies. Si tel est le cas, leurs travaux pourraient ouvrir la voie au développement de systèmes de traitement de l’information photonique plus performants.
« Comme la prochaine étape de notre recherche, nous tenterons de réaliser expérimentalement les notions théoriques que nous avons introduites », a ajouté Babushkin. « Si nous réussissons, nous étendrons notre résultat à porte unique à l’ensemble du cadre dans lequel tous les calculs sont effectués de manière tolérante à la forme d’onde. Dans un avenir plus lointain, cela peut conduire à une réalisation plus facile d’ordinateurs quantiques purement photoniques. »
I. Babushkin et al, Wave-Shape-Tolerant Photonic Quantum Gates, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.090502
E. Knill et al, Un schéma pour un calcul quantique efficace avec une optique linéaire, Nature (2002). DOI : 10.1038/35051009
NK Langford et al, Calcul quantique efficace utilisant la conversion cohérente de photons, Nature (2011). DOI : 10.1038/nature10463
Keyu Xia et al, Schéma sans cavité pour la détection non destructive d’un photon optique unique, Lettres d’examen physique (2016). DOI : 10.1103/PhysRevLett.116.023601
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