La percée des puces photoniques ouvre la voie à l’informatique quantique dans des conditions réelles

Abstract Futuristic Quantum Computing

Informatique quantique futuriste abstraite

La plate-forme d’informatique quantique accélère la transition de l’optique en vrac à la photonique intégrée sur une puce de silicium plus petite qu’un centime

Les l’informatique quantique Le marché devrait atteindre 65 milliards de dollars d’ici 2030, un sujet brûlant pour les investisseurs et les scientifiques en raison de son potentiel à résoudre des problèmes d’une complexité incompréhensible.

La découverte de médicaments en est un exemple. Pour comprendre les interactions médicamenteuses, une société pharmaceutique peut vouloir simuler l’interaction de deux molécules. Le défi est que chaque molécule est composée de quelques centaines d’atomes, et les scientifiques doivent modéliser toutes les façons dont ces atomes pourraient s’agencer lorsque leurs molécules respectives sont introduites. Le nombre de configurations possibles est infini, plus que le nombre d’atomes dans l’univers entier. Seul un ordinateur quantique peut représenter, et encore moins résoudre, un problème de données aussi vaste et dynamique.

L’utilisation généralisée de l’informatique quantique reste dans des décennies, tandis que les équipes de recherche des universités et de l’industrie privée du monde entier travaillent sur différentes dimensions de la technologie.

Trois microrésonateurs optiques

Cette puce de silicium contient trois microrésonateurs optiques qui enveloppent les photons et génèrent un micropeigne pour convertir efficacement les photons d’une seule à plusieurs longueurs d’onde. L’équipe de Yi a vérifié la génération de 40 qumodes à partir d’un seul microrésonateur, prouvant que le multiplexage de modes quantiques peut fonctionner dans des plateformes photoniques intégrées. Crédit : Université de Virginie

Une équipe de recherche dirigée par Xu Yi, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie, s’est taillé une place dans la physique et les applications des dispositifs photoniques, qui détectent et façonnent la lumière pour un large éventail de utilisations, y compris les communications et l’informatique. Son groupe de recherche a créé une plate-forme informatique quantique évolutive, qui réduit considérablement le nombre d’appareils nécessaires pour atteindre la vitesse quantique, sur une puce photonique de la taille d’un sou.

Olivier Pfister, professeur d’optique quantique et d’information quantique à l’UVA, et Hansuek Lee, professeur assistant au Korean Advanced Institute of Science and Technology, ont contribué à ce succès.

Communication Nature a récemment publié les résultats expérimentaux de l’équipe, “A Squeezed Quantum Microcomb on a Chip”. Deux des membres du groupe de Yi, Zijiao Yang, un Ph.D. étudiant en physique, et Mandana Jahanbozorgi, un Ph.D. étudiant en génie électrique et informatique, sont les co-premiers auteurs de l’article. Une subvention du programme Engineering Quantum Integrated Platforms for Quantum Communication de la National Science Foundation soutient cette recherche.

Xu Yi

Une équipe de recherche dirigée par Xu Yi, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie, s’est taillé une place dans la physique et les applications des dispositifs photoniques, qui détectent et façonnent la lumière pour un large éventail de utilisations, y compris les communications et l’informatique. Crédit : Université de Virginie

L’informatique quantique promet une toute nouvelle façon de traiter l’information. Votre ordinateur de bureau ou portable traite les informations en longues chaînes de bits. Un bit ne peut contenir qu’une des deux valeurs : zéro ou un. Les ordinateurs quantiques traitent les informations en parallèle, ce qui signifie qu’ils n’ont pas à attendre qu’une séquence d’informations soit traitée avant de pouvoir en calculer davantage. Leur unité d’information s’appelle un qubit, un hybride qui peut être un et zéro en même temps. Un mode quantique, ou qumode, couvre tout le spectre des variables entre un et zéro, les valeurs à droite de la virgule décimale.

Les chercheurs travaillent sur différentes approches pour produire efficacement le nombre énorme de qumodes nécessaires pour atteindre des vitesses quantiques.

L’approche photonique de Yi est attrayante car un champ de lumière est également à spectre complet ; chaque onde lumineuse du spectre a le potentiel de devenir une unité quantique. Yi a émis l’hypothèse qu’en enchevêtrant des champs de lumière, la lumière atteindrait un état quantique.

Vous connaissez probablement les fibres optiques qui fournissent des informations via Internet. Au sein de chaque fibre optique, des lasers de différentes couleurs sont utilisés en parallèle, un phénomène appelé multiplexage. Yi a porté le concept de multiplexage dans le domaine quantique.

Micro est la clé du succès de son équipe. UVA est un pionnier et un leader dans l’utilisation du multiplexage optique pour créer une plate-forme d’informatique quantique évolutive. En 2014, le groupe de Pfister a réussi à générer plus de 3 000 modes quantiques dans un système optique en vrac. Cependant, l’utilisation de ces nombreux modes quantiques nécessite une grande empreinte pour contenir les milliers de miroirs, lentilles et autres composants qui seraient nécessaires pour exécuter un algorithme et effectuer d’autres opérations.

“L’avenir du domaine est l’optique quantique intégrée”, a déclaré Pfister. « Ce n’est qu’en transférant les expériences d’optique quantique des laboratoires d’optique protégés vers des puces photoniques compatibles avec le terrain que authentique la technologie quantique puisse voir le jour. Nous sommes extrêmement chanceux d’avoir pu attirer à UVA un expert mondial en photonique quantique comme Xu Yi, et je suis très excité par les perspectives que ces nouveaux résultats nous ouvrent.

Le groupe de Yi a créé une source quantique dans un microrésonateur optique, une structure en forme d’anneau de la taille d’un millimètre qui enveloppe les photons et génère un micropeigne, un dispositif qui convertit efficacement les photons d’une seule à plusieurs longueurs d’onde. La lumière circule autour de l’anneau pour augmenter la puissance optique. Cette accumulation de puissance augmente les chances d’interaction des photons, ce qui produit un enchevêtrement quantique entre les champs de lumière dans le micropeigne. Grâce au multiplexage, l’équipe de Yi a vérifié la génération de 40 qumodes à partir d’un seul microrésonateur sur une puce, prouvant que le multiplexage des modes quantiques peut fonctionner dans plateformes photoniques intégrées. C’est juste le nombre qu’ils sont capables de mesurer.

“Nous estimons que lorsque nous optimisons le système, nous pouvons générer des milliers de qumodes à partir d’un seul appareil”, a déclaré Yi.

La technique de multiplexage de Yi ouvre la voie à l’informatique quantique pour des conditions réelles, où les erreurs sont inévitables. Cela est vrai même dans les ordinateurs classiques. Mais les états quantiques sont beaucoup plus fragiles que les états classiques.

Le nombre de qubits nécessaires pour compenser les erreurs pourrait dépasser le million, avec une augmentation proportionnelle du nombre d’appareils. Le multiplexage réduit le nombre de dispositifs nécessaires de deux ou trois ordres de grandeur.

Le système photonique de Yi offre deux avantages supplémentaires dans la quête de l’informatique quantique. Les plates-formes informatiques quantiques qui utilisent des circuits électroniques supraconducteurs nécessitent un refroidissement à des températures cryogéniques. Comme le photon n’a pas de masse, les ordinateurs quantiques dotés de puces photoniques intégrées peuvent fonctionner ou dormir à température ambiante. De plus, Lee a fabriqué le microrésonateur sur une puce de silicium en utilisant des techniques de lithographie standard. Ceci est important car cela implique que le résonateur ou la source quantique peut être produit en masse.

“Nous sommes fiers de repousser les frontières de l’ingénierie en informatique quantique et d’accélérer la transition de l’optique en masse à la photonique intégrée”, a déclaré Yi. « Nous continuerons d’explorer des moyens d’intégrer des dispositifs et des circuits dans une plate-forme d’informatique quantique basée sur la photonique et d’optimiser ses performances. »

Crédit : « A squeezed quantum microcomb on a chip » de Zijiao Yang, Mandana Jahanbozorgi, Dongin Jeong, Shuman Sun, Olivier Pfister, Hansuek Lee et Xu Yi, 6 août 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-25054-z

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