À l’aide de lasers, les chercheurs peuvent contrôler directement une propriété des noyaux appelée spin, qui peut coder des informations quantiques. —


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    En principe, les dispositifs quantiques tels que les ordinateurs et les capteurs pourraient largement surpasser les technologies numériques conventionnelles pour effectuer de nombreuses tâches complexes. Mais le développement de tels dispositifs dans la pratique a été un problème difficile malgré les investissements importants des entreprises technologiques ainsi que des laboratoires universitaires et gouvernementaux.

    Les plus grands ordinateurs quantiques d’aujourd’hui n’ont encore que quelques centaines de “qubits”, les équivalents quantiques des bits numériques.

    Maintenant, des chercheurs du MIT ont proposé une nouvelle approche pour créer des qubits et les contrôler pour lire et écrire des données. La méthode, théorique à ce stade, repose sur la mesure et le contrôle des spins des noyaux atomiques, à l’aide de faisceaux lumineux issus de deux lasers de couleurs légèrement différentes. Les résultats sont décrits dans un article publié dans la revue Examen physique Xécrit par le doctorant du MIT Haowei Xu, les professeurs Ju Li et Paola Cappellaro, et quatre autres.

    Les spins nucléaires sont depuis longtemps reconnus comme des éléments de base potentiels pour les systèmes de traitement de l’information et de communication quantiques, tout comme les photons, les particules élémentaires qui sont des paquets discrets, ou “quanta”, de rayonnement électromagnétique. Mais amener ces deux objets quantiques à travailler ensemble était difficile car les noyaux atomiques et les photons interagissent à peine, et leurs fréquences naturelles diffèrent de six à neuf ordres de grandeur.

    Dans le nouveau processus développé par l’équipe du MIT, la différence de fréquence d’un faisceau laser entrant correspond aux fréquences de transition du spin nucléaire, poussant le spin nucléaire à basculer d’une certaine manière.

    “Nous avons trouvé un nouveau moyen puissant d’interfacer les spins nucléaires avec les photons optiques des lasers”, déclare Cappellaro, professeur de sciences et d’ingénierie nucléaires. “Ce nouveau mécanisme de couplage permet leur contrôle et leur mesure, ce qui fait désormais de l’utilisation des spins nucléaires comme qubits une entreprise beaucoup plus prometteuse.”

    Le processus est complètement réglable, disent les chercheurs. Par exemple, l’un des lasers pourrait être réglé pour correspondre aux fréquences des systèmes de télécommunications existants, transformant ainsi les spins nucléaires en répéteurs quantiques pour permettre une communication quantique longue distance.

    Les tentatives précédentes d’utiliser la lumière pour affecter les spins nucléaires étaient indirectes, se couplant à la place aux spins électroniques entourant ce noyau, ce qui à son tour affecterait le noyau par des interactions magnétiques. Mais cela nécessite l’existence de spins d’électrons non appariés à proximité et conduit à un bruit supplémentaire sur les spins nucléaires. Pour la nouvelle approche, les chercheurs ont profité du fait que de nombreux noyaux ont un quadripôle électrique, ce qui conduit à une interaction quadripolaire nucléaire électrique avec l’environnement. Cette interaction peut être affectée par la lumière afin de modifier l’état du noyau lui-même.

    “Le spin nucléaire interagit généralement assez faiblement”, explique Li. “Mais en utilisant le fait que certains noyaux ont un quadripôle électrique, nous pouvons induire cet effet optique non linéaire de second ordre qui se couple directement au spin nucléaire, sans aucun spin électronique intermédiaire. Cela nous permet de manipuler directement le spin nucléaire.”

    Entre autres choses, cela peut permettre l’identification précise et même la cartographie des isotopes des matériaux, tandis que la spectroscopie Raman, une méthode bien établie basée sur la physique analogue, peut identifier la chimie et la structure du matériau, mais pas les isotopes. Cette capacité pourrait avoir de nombreuses applications, selon les chercheurs.

    En ce qui concerne la mémoire quantique, les dispositifs typiques actuellement utilisés ou envisagés pour l’informatique quantique ont des temps de cohérence – c’est-à-dire la durée pendant laquelle les informations stockées peuvent être conservées intactes de manière fiable – qui ont tendance à être mesurées en minuscules fractions de seconde. Mais avec le système de spin nucléaire, les temps de cohérence quantique se mesurent en heures.

    Étant donné que les photons optiques sont utilisés pour les communications longue distance via des réseaux à fibre optique, la capacité de coupler directement ces photons à une mémoire quantique ou à des dispositifs de détection pourrait offrir des avantages significatifs dans les nouveaux systèmes de communication, selon l’équipe. De plus, l’effet pourrait être utilisé pour fournir un moyen efficace de traduire un ensemble de longueurs d’onde en un autre. “Nous envisageons d’utiliser des spins nucléaires pour la transduction de photons micro-ondes et de photons optiques”, a déclaré Xu, ajoutant que cela peut fournir une plus grande fidélité pour une telle traduction que d’autres méthodes.

    Jusqu’à présent, le travail est théorique, la prochaine étape consiste donc à mettre en œuvre le concept dans des dispositifs de laboratoire réels, probablement tout d’abord dans un système spectroscopique. “Cela pourrait être un bon candidat pour l’expérience de preuve de principe”, déclare Xu. Après cela, ils s’attaqueront aux dispositifs quantiques tels que la mémoire ou les effets de transduction, dit-il.

    L’équipe comprenait également Changhao Li, Guoqing Wang, Hua Wang, Hao Tang et Ariel Barr, tous du MIT.

    Houssen Moshinaly

    Rédacteur en chef d'Actualité Houssenia Writing. Rédacteur web depuis 2009.

    Blogueur et essayiste, j'ai écrit 9 livres sur différents sujets comme la corruption en science, les singularités technologiques ou encore des fictions. Je propose aujourd'hui des analyses politiques et géopolitiques sur le nouveau monde qui arrive. J'ai une formation de rédaction web et une longue carrière de prolétaire.

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