Un moyen plus simple de connecter des ordinateurs quantiques

Alors que les signaux de données classiques d’aujourd’hui peuvent être amplifiés à travers une ville ou un océan, les signaux quantiques ne le peuvent pas. Ils doivent être répétés à intervalles réguliers, c’est-à-dire arrêtés, copiés et transmis par des machines spécialisées appelées répéteurs quantiques. De nombreux experts estiment que ces répéteurs quantiques joueront un rôle clé dans les futurs réseaux de communication, en permettant une sécurité renforcée et en permettant des connexions entre ordinateurs quantiques distants.

L’étude de Princeton, publiée le 30 août dans Nature, détaille les bases d’une nouvelle approche de la construction de répéteurs quantiques. Il envoie une lumière adaptée aux télécommunications émise par un seul ion implanté dans un cristal. Cet effort a pris de nombreuses années, selon Jeff Thompson, l’auteur principal de l’étude. Les travaux combinaient les progrès de la conception photonique et de la science des matériaux.

D’autres modèles de répéteurs quantiques de pointe émettent de la lumière dans le spectre visible, qui se dégrade rapidement sur la fibre optique et doit être convertie avant de parcourir de longues distances. Le nouveau dispositif est basé sur un seul ion de terre rare implanté dans un cristal hôte. Et comme cet ion émet de la lumière à une longueur d’onde infrarouge idéale, il ne nécessite aucune conversion de signal, ce qui peut conduire à des réseaux plus simples et plus robustes.

Le dispositif comporte deux parties : un cristal de tungstate de calcium dopé avec seulement une poignée d’ions erbium et un morceau nanoscopique de silicium gravé dans un canal en forme de J. Pulsé par un laser spécial, l’ion émet de la lumière à travers le cristal. Mais le morceau de silicium, un morceau de semi-conducteur collé sur le dessus du cristal, attrape et guide les photons individuels vers le câble à fibre optique.

Idéalement, ce photon serait codé avec les informations provenant de l’ion, a déclaré Thompson. Ou plus précisément, d’une propriété quantique de l’ion appelée spin. Dans un répéteur quantique, la collecte et l’interférence des signaux provenant de nœuds distants créeraient un enchevêtrement entre leurs spins, permettant une transmission de bout en bout des états quantiques malgré les pertes en cours de route.

L’équipe de Thompson a commencé à travailler avec les ions erbium plusieurs années auparavant, mais les premières versions utilisaient des cristaux différents qui abritaient trop de bruit. En particulier, ce bruit provoquait un saut aléatoire de la fréquence des photons émis dans un processus appelé diffusion spectrale. Cela a évité les délicates interférences quantiques nécessaires au fonctionnement des réseaux quantiques. Pour résoudre ce problème, son laboratoire a commencé à travailler avec Nathalie de Leon, professeure agrégée de génie électrique et informatique, et Robert Cava, éminent scientifique des matériaux solides et professeur de chimie Russell Wellman Moore de Princeton, pour explorer de nouveaux matériaux susceptibles d’héberger un seul matériau. ions erbium avec beaucoup moins de bruit.

Ils ont trié la liste des matériaux candidats de centaines de milliers à quelques centaines, puis quelques dizaines, puis trois. Chacun des trois finalistes a mis six mois pour tester. Le premier élément s’est avéré pas assez clair. La seconde a donné à l’erbium de mauvaises propriétés quantiques. Mais le troisième, le tungstate de calcium, était parfait.

Pour démontrer que le nouveau matériau est adapté aux réseaux quantiques, les chercheurs ont construit un interféromètre dans lequel les photons empruntent de manière aléatoire l’un des deux chemins suivants : un chemin court de plusieurs mètres de long ou un chemin long de 22 miles (constitué de fibres optiques en bobine). fibre). Les photons émis par l’ion peuvent suivre le chemin long ou le chemin court, et environ la moitié du temps, des photons consécutifs empruntent des chemins opposés et arrivent à la sortie en même temps.

Lorsqu’une telle collision se produit, l’interférence quantique fait que les photons quittent la sortie par paires si et seulement s’ils sont fondamentalement impossibles à distinguer – ayant la même forme et la même fréquence. Dans le cas contraire, ils quittent l’interféromètre individuellement. En observant une forte suppression – jusqu’à 80 pour cent – des photons individuels à la sortie de l’interféromètre, l’équipe a prouvé de manière concluante que les ions erbium contenus dans le nouveau matériau émettent des photons impossibles à distinguer. Selon Salim Ourari, un étudiant diplômé qui a codirigé la recherche, cela place le signal bien au-dessus du seuil hi-fi.

Bien que ces travaux franchissent un seuil important, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour améliorer la durée de stockage des états quantiques dans le spin de l’ion erbium. L’équipe travaille actuellement à la fabrication de tungstate de calcium plus raffiné, avec moins d’impuretés perturbant les états de spin quantique.