Une nouvelle méthode pour emmêler le sort des fragments de lumière a levé certains obstacles majeurs sur la voie de l’informatique quantique basée sur les photons.
Des chercheurs de l’Institut Max Planck d’optique quantique en Allemagne ont réussi à intriquer 14 photons dans un état considéré comme optimal pour les qubits, doublant ainsi les tentatives précédentes, tout en améliorant leur efficacité.
Contrairement aux « bits » de code binaire derrière les formes de technologie informatique plus conventionnelles, les qubits existent dans un état de probabilité appelé superposition, se comportant comme une pièce lancée lorsqu’elle tombe dans les airs.
Les algorithmes basés sur la façon dont les groupes de pièces quantiques tombent peuvent résoudre des problèmes mathématiques assez complexes, mais seulement si leur rotation collective ne s’écarte pas par inadvertance de l’environnement.
Connue sous le nom de décohérence, cette perturbation de la superposition d’une particule est un obstacle majeur pour les ingénieurs qui conçoivent des outils. ordinateurs quantiques.
En théorie, presque tout peut exister dans une superposition quantique d’états, des électrons aux atomes en passant par des molécules entières (ou plus grandes). Mais pour limiter la décohérence, les objets plus petits et plus simples prennent le gâteau.
Les photons font des qubits idéaux. Malheureusement, les ordinateurs quantiques pratiques ont besoin de beaucoup de qubits. Milliers. Même des millions. Plus il y en a, mieux c’est. Non seulement ils doivent tous tourner en chevauchement en même temps, mais leurs destinations doivent être partagées. Ou, pour utiliser le terme physique, empêtré.
C’est là qu’intervient le défi.
Il existe des moyens relativement simples d’intriquer des paires de photons. Forcez un atome à émettre une onde lumineuse puis divisez-le à l’aide d’un écran spécial, et vous obtenez deux photons avec une histoire commune.
Alors qu’ils restent en vol avec leurs caractéristiques respectives encore à mesurer, ils agissent plus ou moins comme cette pièce qui tourne. Finalement, l’un viendra pile et l’autre pile.
L’intrication de plus de deux photons devient plus difficile.
Des expériences avec des objets appelés points quantiques ont réussi à enchevêtrer des chaînes de trois à quatre photons. Non seulement il est peu probable qu’il produise un jour les centaines et les milliers nécessaires à un ordinateur quantiquel’état d’intrication avec cette approche n’est pas aussi fiable que les ingénieurs le souhaiteraient.
Des études plus récentes utilisant des atomes avec de grandes orbitales d’électrons, appelés atomes de Rydberg, ont produit jusqu’à six photons intriqués, le tout de manière efficace. Bien que la méthode puisse générer des composants informatiques ultra-rapides, ce n’est pas non plus une option facilement évolutive.
Cette nouvelle solution pourrait, en théorie, produire n’importe quel nombre de photons intriqués, tous dans l’état idéal.
“L’astuce de cette expérience était que nous avons utilisé un seul atome pour émettre les photons et les tisser ensemble d’une manière très spécifique”, explique Philip Thomas, étudiant au doctorat en physique et auteur principal.
Un atome de rubidium a été chatouillé pour émettre des ondes lumineuses, qui ont été canalisées dans une cavité conçue pour les réfléchir d’avant en arrière de manière très précise.
En affinant la façon dont le rubidium brillait, chaque photon pouvait être intriqué avec l’état de l’atome entier, ce qui signifie que chaque photon rebondissant dans la cavité était également intriqué avec un nombre important de ses frères et sœurs.
“Parce que la chaîne de photons est issue d’un seul atome, elle pourrait être produite de manière déterministe”, explique Thomas.
Dans ce cas, l’équipe a réussi à intriquer 12 photons dans un amas linéaire moins efficace et 14 dans le précieux état Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ).
« À notre connaissance, les 14 particules lumineuses interconnectées représentent le plus grand nombre de photons intriqués qui ont été générés en laboratoire jusqu’à présent », explique Thomas.
Non seulement ils ont pu enchevêtrer autant de photons, mais l’efficacité de cette méthode a été améliorée par rapport aux processus précédents, presque un photon sur deux fournissant des qubits parfaitement intriqués.
Les configurations futures devront introduire un deuxième atome pour fournir les qubits nécessaires à de nombreuses opérations de calcul quantique. La disponibilité de photons intriqués pourrait constituer la base d’une technologie au-delà de l’informatique, jouant un rôle central dans les communications quantiques cryptées.
Cette recherche a été publiée dans La nature.