Des photons intriqués sur mesure —


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  • Afin d’utiliser efficacement un ordinateur quantique, un plus grand nombre de blocs de construction de base spécialement préparés – en termes techniques : intriqués – sont nécessaires pour effectuer des opérations de calcul. Une équipe de physiciens de l’Institut Max Planck d’optique quantique de Garching a pour la première fois démontré cette tâche avec des photons émis par un seul atome. Suite à une nouvelle technique, les chercheurs ont généré jusqu’à 14 photons intriqués dans un résonateur optique, qui peuvent être préparés dans des états physiques quantiques spécifiques de manière ciblée et très efficace. La nouvelle méthode pourrait faciliter la construction d’ordinateurs quantiques puissants et robustes et servir la transmission sécurisée des données à l’avenir.

    Les phénomènes du monde quantique, qui semblent souvent bizarres du point de vue du monde quotidien commun, ont depuis longtemps trouvé leur place dans la technologie. Par exemple, l’intrication : une connexion physique quantique entre des particules qui les relie d’une manière étrange sur des distances arbitrairement longues. Il peut être utilisé, par exemple, dans un ordinateur quantique – une machine informatique qui, contrairement à un ordinateur conventionnel, peut effectuer de nombreuses opérations mathématiques simultanément. Cependant, pour utiliser un ordinateur quantique de manière rentable, un grand nombre de particules intriquées doivent travailler ensemble. Ce sont les éléments de base des calculs, appelés qubits.

    « Les photons, les particules de lumière, sont particulièrement bien adaptés à cela car ils sont robustes par nature et faciles à manipuler », explique Philip Thomas, doctorant à l’Institut Max Planck d’optique quantique (MPQ) à Garching près de Munich. En collaboration avec des collègues de la division de dynamique quantique dirigée par le professeur Gerhard Rempe, il a maintenant réussi à franchir une étape importante en vue de rendre les photons utilisables pour des applications technologiques telles que l’informatique quantique : pour la première fois, l’équipe a généré jusqu’à 14 photons intriqués dans manière définie et avec une grande efficacité.

    Un atome comme source de photons

    « L’astuce de cette expérience était que nous utilisions un seul atome pour émettre les photons et les entrelacer d’une manière très spécifique », explique Thomas. Pour ce faire, les chercheurs de Max Planck ont ​​placé un atome de rubidium au centre d’une cavité optique, une sorte de chambre d’écho pour les ondes électromagnétiques. Avec une lumière laser d’une certaine fréquence, l’état de l’atome pourrait être adressé avec précision. À l’aide d’une impulsion de contrôle supplémentaire, les chercheurs ont également déclenché spécifiquement l’émission d’un photon intriqué avec l’état quantique de l’atome.

    « Nous avons répété ce processus plusieurs fois et d’une manière préalablement déterminée », rapporte Thomas. Entre les deux, l’atome a été manipulé d’une certaine manière — dans le jargon technique : tourné. De cette manière, il a été possible de créer une chaîne de jusqu’à 14 particules légères qui ont été enchevêtrées les unes avec les autres par les rotations atomiques et amenées dans un état souhaité. « 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 », souligne Thomas.

    Processus de génération déterministe

    Mais ce n’est pas seulement la quantité de photons intriqués qui marque une étape majeure vers le développement d’ordinateurs quantiques puissants – la façon dont ils sont générés est également très différente des méthodes conventionnelles. « Parce que la chaîne de photons a émergé d’un seul atome, elle pourrait être produite de manière déterministe », explique Thomas. Cela signifie : en principe, chaque impulsion de commande délivre effectivement un photon avec les propriétés souhaitées. Jusqu’à présent, l’intrication des photons s’effectuait généralement dans des cristaux spéciaux non linéaires. Le défaut : là, les particules lumineuses sont essentiellement créées de manière aléatoire et de manière incontrôlable. Cela limite également le nombre de particules pouvant être regroupées dans un état collectif.

    La méthode utilisée par l’équipe de Garching, en revanche, permet de générer pratiquement n’importe quel nombre de photons intriqués. De plus, la méthode est particulièrement efficace – une autre mesure importante pour d’éventuelles applications techniques futures : « En mesurant la chaîne de photons produite, nous avons pu prouver une efficacité de près de 50 % », déclare Philip Thomas. Cela signifie que presque chaque seconde « pression d’un bouton » sur l’atome de rubidium a produit une particule de lumière utilisable – bien plus que ce qui a été réalisé dans les expériences précédentes. « Dans l’ensemble, nos travaux suppriment un obstacle de longue date sur la voie de l’informatique quantique évolutive et basée sur des mesures », résume le directeur du département Gerhard Rempe.

    Plus d’espace pour la communication quantique

    es scientifiques du MPQ veulent lever un autre obstacle. Des opérations informatiques complexes, par exemple, nécessiteraient au moins deux atomes comme sources de photons dans le résonateur. Les physiciens quantiques parlent d’un état d’amas bidimensionnel. « Nous travaillons déjà sur cette tâche », révèle Philip Thomas. Le chercheur de Max Planck souligne également que les applications techniques possibles s’étendent bien au-delà de l’informatique quantique : « Un autre exemple d’application est la communication quantique », la transmission d’informations à l’épreuve des écoutes, par exemple par la lumière dans une fibre optique. Là, la lumière subit des pertes inévitables lors de sa propagation en raison d’effets optiques tels que la diffusion et l’absorption, ce qui limite la distance sur laquelle les données peuvent être transportées. En utilisant la méthode développée à Garching, les informations quantiques pourraient être emballées dans des photons intriqués et pourraient également survivre à une certaine quantité de perte de lumière – et permettre une communication sécurisée sur de plus grandes distances.

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