Les chercheurs ont découvert un moyen de « traduire » les informations quantiques entre différents types de technologies quantiques, avec des implications importantes pour l’informatique quantique, la communication et les réseaux.
La recherche a été publiée dans la revue Nature mercredi. Il représente une nouvelle façon de convertir les informations quantiques du format utilisé par les ordinateurs quantiques au format nécessaire à la communication quantique.
Les photons, des particules de lumière, sont essentiels pour les technologies de l’information quantique, mais différentes technologies les utilisent à des fréquences différentes. Par exemple, certaines des technologies informatiques quantiques les plus courantes sont basées sur des qubits supraconducteurs, tels que ceux utilisés par les géants de la technologie Google et IBM ; ces qubits stockent des informations quantiques dans des photons qui se déplacent à des fréquences micro-ondes.
Mais si vous voulez construire un réseau quantique ou connecter des ordinateurs quantiques, vous ne pouvez pas envoyer de photons micro-ondes car leur emprise sur leurs informations quantiques est trop faible pour survivre au voyage.
« Beaucoup de technologies que nous utilisons pour la communication classique – téléphones portables, Wi-Fi, GPS et autres – utilisent toutes les fréquences micro-ondes de la lumière », a déclaré Aishwarya Kumar, post-doctorante au James Franck Institute de l’Université de Chicago et auteur principal de l’article. « Mais vous ne pouvez pas faire cela pour la communication quantique car l’information quantique dont vous avez besoin se trouve dans un seul photon. Et aux fréquences micro-ondes, cette information sera enfouie dans le bruit thermique. »
La solution consiste à transférer l’information quantique à un photon de fréquence plus élevée, appelé photon optique, qui est beaucoup plus résistant au bruit ambiant. Mais l’information ne peut pas être transférée directement d’un photon à l’autre ; au lieu de cela, nous avons besoin de matière intermédiaire. Certaines expériences conçoivent des dispositifs à semi-conducteurs à cette fin, mais l’expérience de Kumar visait quelque chose de plus fondamental : les atomes.
Les électrons dans les atomes ne sont autorisés à avoir que certaines quantités spécifiques d’énergie, appelées niveaux d’énergie. Si un électron se trouve à un niveau d’énergie inférieur, il peut être excité à un niveau d’énergie supérieur en le frappant avec un photon dont l’énergie correspond exactement à la différence entre le niveau supérieur et le niveau inférieur. De même, lorsqu’un électron est forcé de chuter à un niveau d’énergie inférieur, l’atome émet alors un photon avec une énergie qui correspond à la différence d’énergie entre les niveaux.
Il se trouve que les atomes de rubidium ont deux lacunes dans leurs niveaux que la technologie de Kumar exploite : une qui est exactement égale à l’énergie d’un photon micro-onde et une qui est exactement égale à l’énergie d’un photon optique. En utilisant des lasers pour déplacer les énergies des électrons de l’atome vers le haut et vers le bas, la technologie permet à l’atome d’absorber un photon micro-onde avec des informations quantiques, puis d’émettre un photon optique avec ces informations quantiques. Cette traduction entre différents modes d’information quantique est appelée « transduction ».
L’utilisation efficace d’atomes à cette fin est rendue possible par les progrès significatifs que les scientifiques ont réalisés dans la manipulation de ces petits objets. « En tant que communauté, nous avons construit une technologie remarquable au cours des 20 ou 30 dernières années qui nous permet de contrôler essentiellement tout ce qui concerne les atomes », a déclaré Kumar. « Donc, l’expérience est très contrôlée et efficace. »
Il dit que l’autre secret de leur succès réside dans les progrès réalisés dans le domaine de l’électrodynamique quantique en cavité, où un photon est piégé dans une chambre supraconductrice réfléchissante. En forçant le photon à rebondir dans un espace clos, la cavité supraconductrice renforce l’interaction entre le photon et la matière qui y est placée.
Leur chambre n’a pas l’air très fermée – en fait, elle ressemble plus à un bloc de fromage suisse. Mais ce qui ressemble à des trous est en fait des tunnels qui se croisent dans une géométrie très spécifique, de sorte que des photons ou des atomes peuvent être piégés à une intersection. C’est une conception intelligente qui permet également aux chercheurs d’accéder à la chambre afin qu’ils puissent injecter les atomes et les photons.
La technologie fonctionne dans les deux sens : elle peut transférer des informations quantiques des photons micro-ondes aux photons optiques, et vice versa. Il peut donc se trouver de chaque côté d’une connexion longue distance entre deux ordinateurs quantiques qubit supraconducteurs et servir de pierre angulaire à un Internet quantique.
Mais Kumar pense qu’il peut y avoir beaucoup plus d’applications pour cette technologie que le simple réseau quantique. Sa capacité principale est d’enchevêtrer fortement les atomes et les photons, une tâche essentielle et difficile dans de nombreuses technologies quantiques différentes à travers le domaine.
« L’une des choses qui nous passionnent vraiment est la capacité de cette plate-forme à générer un enchevêtrement vraiment efficace », a-t-il déclaré. « L’intrication est au cœur de presque tout ce qui nous intéresse quantique, de l’informatique aux simulations en passant par la métrologie et les horloges atomiques. Je suis ravi de voir ce que nous pouvons faire d’autre. »
Plus d’information:
Aishwarya Kumar et al, onde millimétrique activée par Quantum à la transduction optique utilisant des atomes neutres, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-05740-2
Fourni par Chicago Quantum Exchange