Des chercheurs ont démontré l’émission directionnelle de photons, la première étape vers des interconnexions quantiques extensibles


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  • Les ordinateurs quantiques promettent d’effectuer certaines tâches insolubles même sur les supercalculateurs les plus puissants du monde. À l’avenir, les scientifiques prévoient d’utiliser l’informatique quantique pour émuler des systèmes de matériaux, simuler la chimie quantique et optimiser les tâches difficiles, avec des impacts pouvant s’étendre de la finance aux produits pharmaceutiques.

    Cependant, la réalisation de cette promesse nécessite un matériel résilient et extensible. L’un des défis de la construction d’un ordinateur quantique à grande échelle est que les chercheurs doivent trouver un moyen efficace d’interconnecter les nœuds d’information quantique – des nœuds de traitement à plus petite échelle séparés sur une puce informatique. Parce que les ordinateurs quantiques sont fondamentalement différents des ordinateurs classiques, les techniques conventionnelles utilisées pour communiquer des informations électroniques ne se traduisent pas directement en dispositifs quantiques. Cependant, une exigence est certaine : que ce soit via une interconnexion classique ou quantique, les informations transportées doivent être transmises et reçues.

    À cette fin, les chercheurs du MIT ont développé une architecture informatique quantique qui permettra une communication extensible et haute fidélité entre les processeurs quantiques supraconducteurs. Dans un ouvrage publié dans Physique naturelle, les chercheurs du MIT démontrent la première étape, l’émission déterministe de photons uniques – porteurs d’informations – dans une direction spécifiée par l’utilisateur. Leur méthode garantit que les informations quantiques circulent dans la bonne direction plus de 96 % du temps.

    Relier plusieurs de ces modules permet un plus grand réseau de processeurs quantiques qui sont interconnectés les uns avec les autres, quelle que soit leur séparation physique sur une puce informatique.

    « Les interconnexions quantiques sont une étape cruciale vers les implémentations modulaires de machines à plus grande échelle construites à partir de composants individuels plus petits », déclare Bharath Kannan PhD ’22, co-auteur principal d’un article de recherche décrivant cette technique.

    « La capacité de communiquer entre des sous-systèmes plus petits permettra une architecture modulaire pour les processeurs quantiques, et cela peut être un moyen plus simple de passer à des tailles de système plus grandes par rapport à l’approche de la force brute consistant à utiliser une seule puce grande et compliquée », ajoute Kannan.

    Kannan a rédigé l’article avec la co-auteure principale Aziza Almanakly, étudiante diplômée en génie électrique et en informatique dans le groupe Engineering Quantum Systems du Research Laboratory of Electronics (RLE) du MIT. L’auteur principal est William D. Oliver, professeur de génie électrique, d’informatique et de physique, membre du MIT Lincoln Laboratory, directeur du Center for Quantum Engineering et directeur associé de RLE.

    Déplacement des informations quantiques

    Dans un ordinateur classique classique, divers composants remplissent différentes fonctions, telles que la mémoire, le calcul, etc. qui déplacent les électrons sur un processeur d’ordinateur.

    Mais l’information quantique est plus complexe. Au lieu de ne contenir qu’une valeur de 0 ou 1, l’information quantique peut également être à la fois 0 et 1 simultanément (phénomène connu sous le nom de superposition). De plus, l’information quantique peut être portée par des particules de lumière, appelées photons. Ces complexités supplémentaires rendent les informations quantiques fragiles et ne peuvent pas être transportées simplement en utilisant des protocoles conventionnels.

    Un réseau quantique relie les nœuds de traitement à l’aide de photons qui voyagent à travers des interconnexions spéciales appelées guides d’ondes. Un guide d’onde peut soit être unidirectionnel, et déplacer un photon uniquement vers la gauche ou vers la droite, soit il peut être bidirectionnel.

    La plupart des architectures existantes utilisent des guides d’ondes unidirectionnels, plus faciles à mettre en œuvre car le sens de déplacement des photons est facilement établi. Mais comme chaque guide d’ondes ne déplace les photons que dans une seule direction, davantage de guides d’ondes deviennent nécessaires à mesure que le réseau quantique se développe, ce qui rend cette approche difficile à mettre à l’échelle. De plus, les guides d’ondes unidirectionnels intègrent généralement des composants supplémentaires pour renforcer la directivité, ce qui introduit des erreurs de communication.

    « Nous pouvons nous débarrasser de ces composants avec perte si nous avons un guide d’ondes qui peut supporter la propagation dans les directions gauche et droite, et un moyen de choisir la direction à volonté. Cette « transmission directionnelle » est ce que nous avons démontré, et c’est la première étape vers une communication bidirectionnelle avec des fidélités beaucoup plus élevées », déclare Kannan.

    Grâce à leur architecture, plusieurs modules de traitement peuvent être enchaînés le long d’un guide d’ondes. Une caractéristique remarquable de la conception de l’architecture est que le même module peut être utilisé à la fois comme émetteur et comme récepteur, dit-il. Et les photons peuvent être envoyés et capturés par deux modules quelconques le long d’un guide d’ondes commun.

    « Nous n’avons qu’une seule connexion physique qui peut avoir n’importe quel nombre de modules en cours de route. C’est ce qui la rend évolutive. Après avoir démontré l’émission directionnelle de photons d’un module, nous travaillons maintenant sur la capture de ce photon en aval sur un deuxième module », Almanakly ajoute.

    Tirer parti des propriétés quantiques

    Pour ce faire, les chercheurs ont construit un module comprenant quatre qubits.

    Les qubits sont les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques et sont utilisés pour stocker et traiter les informations quantiques. Mais les qubits peuvent également être utilisés comme émetteurs de photons. L’ajout d’énergie à un qubit provoque l’excitation du qubit, puis lorsqu’il se désexcite, le qubit émettra l’énergie sous la forme d’un photon.

    Cependant, le simple fait de connecter un qubit à un guide d’ondes ne garantit pas la directivité. Un seul qubit émet un photon, mais qu’il se déplace vers la gauche ou vers la droite est complètement aléatoire. Pour contourner ce problème, les chercheurs utilisent deux qubits et une propriété connue sous le nom d’interférence quantique pour garantir que le photon émis se déplace dans la bonne direction.

    La technique consiste à préparer les deux qubits dans un état intriqué d’excitation unique appelé état de Bell. Cet état mécanique quantique comprend deux aspects : le qubit gauche étant excité et le qubit droit étant excité. Les deux aspects existent simultanément, mais quel qubit est excité à un instant donné est inconnu.

    Lorsque les qubits sont dans cet état de cloche intriqué, le photon est effectivement émis simultanément vers le guide d’ondes aux deux emplacements de qubit, et ces deux « voies d’émission » interfèrent l’une avec l’autre. Selon la phase relative dans l’état de Bell, l’émission de photons résultante doit se déplacer vers la gauche ou vers la droite. En préparant l’état de Bell avec la bonne phase, les chercheurs choisissent la direction dans laquelle le photon se déplace à travers le guide d’ondes.

    Ils peuvent utiliser cette même technique, mais en sens inverse, pour recevoir le photon sur un autre module.

    « Le photon a une certaine fréquence, une certaine énergie, et vous pouvez préparer un module pour le recevoir en le réglant sur la même fréquence. S’ils ne sont pas à la même fréquence, alors le photon passera simplement. C’est analogue au réglage une radio à une station particulière. Si nous choisissons la bonne fréquence radio, nous capterons la musique transmise à cette fréquence », explique Almanakly.

    Les chercheurs ont découvert que leur technique atteignait une fidélité de plus de 96 %, ce qui signifie que s’ils avaient l’intention d’émettre un photon vers la droite, 96 % du temps, il allait vers la droite.

    Maintenant qu’ils ont utilisé cette technique pour émettre efficacement des photons dans une direction spécifique, les chercheurs souhaitent connecter plusieurs modules et utiliser le processus pour émettre et absorber des photons. Ce serait une étape majeure vers le développement d’une architecture modulaire qui combine de nombreux processeurs à plus petite échelle en un processeur quantique à plus grande échelle et plus puissant.

    La recherche est financée, en partie, par le AWS Center for Quantum Computing, le US Army Research Office, le Department of Energy Office of Science National Quantum Information Science Research Centers, le Co-design Center for Quantum Advantage et le Department of Defence. .

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