Une conception d’ordinateur quantique relativement simple qui utilise un seul atome pour manipuler des photons pourraient être construits avec des composants actuellement disponibles.
Maintenant, des chercheurs de l’Université de Stanford ont proposé une conception plus simple pour les ordinateurs quantiques photoniques utilisant des composants facilement disponibles, selon un article publié le 29 novembre 2021 dans OPTIQUE. Leur conception proposée utilise un laser pour manipuler un seul atome qui, à son tour, peut modifier l’état des photons via un phénomène appelé « téléportation quantique ». L’atome peut être réinitialisé et réutilisé pour de nombreuses portes quantiques, éliminant ainsi le besoin de construire plusieurs portes physiques distinctes, réduisant considérablement la complexité de la construction d’un ordinateur quantique.
“Normalement, si vous vouliez construire ce type d’ordinateur quantique, vous devriez prendre potentiellement des milliers d’émetteurs quantiques, les rendre tous parfaitement indiscernables, puis les intégrer dans un circuit photonique géant”, a déclaré Ben Bartlett, doctorant. en physique appliquée et auteur principal de l’article. « Alors qu’avec cette conception, nous n’avons besoin que d’une poignée de composants relativement simples, et la taille de la machine n’augmente pas avec la taille du programme quantique que vous souhaitez exécuter. »
Cette conception remarquablement simple ne nécessite que quelques pièces d’équipement : un câble à fibre optique, un diviseur de faisceau, une paire de commutateurs optiques et une cavité optique.
Une animation de l’ordinateur quantique photonique proposé par les chercheurs. Sur la gauche se trouve l’anneau de stockage, qui contient plusieurs photons à contre-propagation. Sur la droite se trouve l’unité de diffusion, qui est utilisée pour manipuler les qubits photoniques. Les sphères au sommet, appelées « sphères Bloch », représentent l’état mathématique de l’atome et de l’un des photons. Parce que l’atome et le photon sont intriqués, la manipulation de l’atome affecte également l’état du photon. Crédit : Ben Bartlett
Heureusement, ces composants existent déjà et sont même disponibles dans le commerce. Ils sont également continuellement affinés puisqu’ils sont actuellement utilisés dans des applications autres que l’informatique quantique. Par exemple, les entreprises de télécommunications s’efforcent depuis des années d’améliorer les câbles à fibres optiques et les commutateurs optiques.
“Ce que nous proposons ici s’appuie sur les efforts et les investissements que les gens ont déployés pour améliorer ces composants”, a déclaré Shanhui Fan, professeur Joseph et Hon Mai Goodman de la School of Engineering et auteur principal de l’article. “Ce ne sont pas de nouveaux composants spécifiquement pour le calcul quantique.”
Une conception originale
La conception des scientifiques se compose de deux sections principales : un anneau de stockage et une unité de diffusion. L’anneau de stockage, qui fonctionne de manière similaire à la mémoire d’un ordinateur ordinaire, est une boucle de fibre optique contenant plusieurs photons qui se déplacent autour de l’anneau. De manière analogue aux bits qui stockent des informations dans un ordinateur classique, dans ce système, chaque photon représente un bit quantique, ou “qubit”. La direction de déplacement du photon autour de l’anneau de stockage détermine la valeur du qubit, qui, comme un bit, peut être 0 ou 1. De plus, comme les photons peuvent exister simultanément dans deux états à la fois, un photon individuel peut circuler dans les deux directions à la fois. , qui représente une valeur qui est une combinaison de 0 et 1 en même temps.
Ben Bartlett, étudiant diplômé de Stanford, et Shanhui Fan, professeur de génie électrique, ont proposé une conception plus simple pour les ordinateurs quantiques photoniques utilisant des composants facilement disponibles. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Ben Bartlett / Rod Seacey
Les chercheurs peuvent manipuler un photon en le dirigeant de l’anneau de stockage vers l’unité de diffusion, où il se déplace vers une cavité contenant un seul atome. Le photon interagit alors avec l’atome, provoquant l’intrication des deux, un phénomène quantique par lequel deux particules peuvent s’influencer même sur de grandes distances. Ensuite, le photon retourne dans l’anneau de stockage et un laser modifie l’état de l’atome. Parce que l’atome et le photon sont intriqués, la manipulation de l’atome influence également l’état de son photon apparié.
“En mesurant l’état de l’atome, vous pouvez téléporter des opérations sur les photons”, a déclaré Bartlett. “Nous n’avons donc besoin que du seul qubit atomique contrôlable et nous pouvons l’utiliser comme proxy pour manipuler indirectement tous les autres qubits photoniques.”
Parce que n’importe quelle porte logique quantique peut être compilée en une séquence d’opérations exécutées sur l’atome, vous pouvez, en principe, exécuter n’importe quel programme quantique de n’importe quelle taille en utilisant un seul qubit atomique contrôlable. Pour exécuter un programme, le code est traduit en une séquence d’opérations qui dirigent les photons vers l’unité de diffusion et manipulent le qubit atomique. Parce que vous pouvez contrôler la façon dont l’atome et les photons interagissent, le même appareil peut exécuter de nombreux programmes quantiques différents.
“Pour de nombreux ordinateurs quantiques photoniques, les portes sont des structures physiques que les photons traversent, donc si vous voulez changer le programme en cours, cela implique souvent de reconfigurer physiquement le matériel”, a déclaré Bartlett. « Alors que dans ce cas, vous n’avez pas besoin de changer le matériel – vous avez juste besoin de donner à la machine un ensemble d’instructions différent. »
Référence : « Calcul quantique photonique déterministe dans une dimension temporelle synthétique » par Ben Bartlett, Avik Dutt et Shanhui Fan, 29 novembre 2021, OPTIQUE.
DOI : 10.1364 / OPTICA.424258
Le chercheur postdoctoral de Stanford Avik Dutt est également co-auteur de cet article. Fan est professeur de génie électrique, membre de Stanford Bio-X et affilié au Precourt Institute for Energy.
Cette recherche a été financée par le Département américain de la Défense et le Bureau de la recherche scientifique de l’US Air Force.
