De nouvelles mesures quantifiant les qudits donnent un aperçu de l’avenir quantique

Bien que le mot “qudit” puisse ressembler à une faute de frappe, ce cousin moins connu du qubit, ou bit quantique, peut contenir plus d’informations et est plus résistant au bruit – deux qualités essentielles nécessaires pour améliorer les performances du quantum les réseaux, les systèmes de distribution de clés quantiques et, éventuellement, l’internet quantique.

Les bits informatiques classiques classent les données en un ou en zéro, tandis que les qubits peuvent contenir des valeurs de un, zéro ou les deux – simultanément – en raison de la superposition, qui est un phénomène qui permet à plusieurs états quantiques d’exister en même temps. Le “d” dans qudit représente le nombre de niveaux ou de valeurs différents qui peuvent être codés sur un photon. Les qubits traditionnels ont deux niveaux, mais ajouter plus de niveaux les transforme en qudits.

Récemment, des chercheurs du Laboratoire national d’Oak Ridge du Département américain de l’énergie, de l’Université Purdue et de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, ou EPFL, ont entièrement caractérisé une paire intriquée de qudits à huit niveaux, qui formaient un espace quantique à 64 dimensions – quadruplant le record précédent pour les modes à fréquence discrète. Ces résultats ont été publiés dans Communication Nature.

“Nous avons toujours su qu’il était possible d’encoder des qudits de niveau 10 ou 20 ou même plus en utilisant les couleurs des photons, ou des fréquences optiques, mais le problème est que la mesure de ces particules est très difficile”, a déclaré Hsuan-Hao Lu, chercheur postdoctoral à l’ORNL. “C’est la valeur de cet article – nous avons trouvé une technique efficace et nouvelle qui est relativement facile à faire du côté expérimental.”

Les qudits sont encore plus difficiles à mesurer lorsqu’ils sont intriqués, ce qui signifie qu’ils partagent des corrélations non classiques quelle que soit la distance physique qui les sépare. Malgré ces défis, les paires de fréquences – deux qudits sous la forme de photons qui sont intriqués dans leurs fréquences – sont bien adaptées au transport d’informations quantiques car elles peuvent suivre un chemin prescrit à travers la fibre optique sans être modifiées de manière significative par leur environnement.

“Nous avons combiné une production de bacs de fréquence de pointe avec des sources lumineuses de pointe, puis avons utilisé notre technique pour caractériser l’enchevêtrement de qudits de haute dimension avec un niveau de précision qui n’a pas été montré auparavant, ” a déclaré Joseph Lukens, boursier Wigner et chercheur à l’ORNL.

Les chercheurs ont commencé leurs expériences en faisant briller un laser dans un résonateur à micro-anneaux – un dispositif circulaire sur puce fabriqué par l’EPFL et conçu pour générer de la lumière non classique. Cette puissante source de photons occupe 1 millimètre carré d’espace – de taille comparable à la pointe d’un crayon aiguisé – et a permis à l’équipe de générer des paires fréquence-bin sous la forme de peignes de fréquences quantiques.

En règle générale, les expériences qudit nécessitent que les chercheurs construisent un type de circuit quantique appelé porte quantique. Mais dans ce cas, l’équipe a utilisé un modulateur de phase électro-optique pour mélanger différentes fréquences de lumière et un formateur d’impulsions pour modifier la phase de ces fréquences. Ces techniques sont étudiées de manière approfondie au Laboratoire d’optique ultrarapide et de communications par fibre optique dirigé par Andrew Weiner à Purdue, où Lu a étudié avant de rejoindre l’ORNL.

Ces dispositifs optiques sont courants dans l’industrie des télécommunications, et les chercheurs ont effectué ces opérations au hasard pour capturer de nombreuses corrélations de fréquences différentes. Selon Lu, ce processus revient à lancer une paire de dés à six faces et à enregistrer combien de fois chaque combinaison de nombres apparaît – mais maintenant les dés sont enchevêtrés les uns avec les autres.

“Cette technique, qui implique des modulateurs de phase et des formateurs d’impulsions, est fortement poursuivie dans le contexte classique du traitement des signaux photoniques ultrarapides et à large bande et a été étendue à l’avenue quantique des qudits de fréquence”, a déclaré Weiner.

Pour travailler en arrière et déduire quels états quantiques ont produit des corrélations de fréquence idéales pour les applications qudit, les chercheurs ont développé un outil d’analyse de données basé sur une méthode statistique appelée inférence bayésienne et ont exécuté des simulations informatiques à l’ORNL. Cette réalisation s’appuie sur les travaux antérieurs de l’équipe axés sur la réalisation d’analyses bayésiennes et la reconstruction d’états quantiques.

Les chercheurs peaufinent maintenant leur méthode de mesure pour se préparer à une série d’expériences. En envoyant des signaux via la fibre optique, ils visent à tester des protocoles de communication quantique tels que la téléportation, qui est une méthode de transport d’informations quantiques, et l’échange d’intrication, qui est le processus d’intrication de deux particules auparavant non liées.

Karthik Myilswamy, étudiant diplômé à Purdue, prévoit d’apporter le résonateur à micro-anneaux à l’ORNL, ce qui permettra à l’équipe de tester ces capacités sur le réseau local quantique du laboratoire.

“Maintenant que nous avons une méthode pour caractériser efficacement les qudits de fréquence intriqués, nous pouvons effectuer d’autres expériences axées sur les applications”, a déclaré Myilswamy.

Cette recherche a été soutenue par le programme Advanced Scientific Computing Research du DOE et le programme Early Career Research, la National Science Foundation, le Air Force Office of Scientific Research et le Swiss National Science Foundation.