La maîtrise croissante de la mécanique quantique par les scientifiques annonce une nouvelle ère d’innovation.
Les technologies qui exploitent la puissance de l’échelle la plus infime de la nature présentent un énorme potentiel dans tout le spectre scientifique, qu’il s’agisse d’ordinateurs exponentiellement plus puissants que les principaux systèmes actuels, de capteurs capables de détecter l’insaisissable matière noire ou d’un Internet quantique pratiquement inviolable.
Des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory du ministère de l’énergie, de SRI International, de Freedom Photonics et de l’université de Purdue ont fait des progrès vers un Internet entièrement quantique en concevant et en démontrant le tout premier analyseur d’état de Bell pour le codage bin de fréquence.
Leurs résultats ont été publiés dans Optica.
Joseph Lukens, de l’ORNL, réalise des expériences dans un laboratoire d’optique. Crédit : Jason Richards/ORNL, Département américain de l’énergie.
Avant de pouvoir être envoyée sur un réseau quantique, l’information doit d’abord être codée dans un état quantique. Cette information est contenue dans des qubits, ou la version quantique des “bits” informatiques classiques utilisés pour stocker l’information, qui s’enchevêtrent, ce qui signifie qu’ils résident dans un état dans lequel ils ne peuvent être décrits indépendamment les uns des autres.
L’intrication entre deux qubits est considérée comme maximale lorsque les qubits sont dits dans des “états de Bell”.
La mesure de ces états de Bell est essentielle à l’exécution de nombreux protocoles nécessaires à la communication quantique et à la distribution de l’intrication dans un réseau quantique. Et bien que ces mesures soient effectuées depuis de nombreuses années, la méthode de l’équipe représente le premier analyseur d’état de Bell développé spécifiquement pour le codage bin de fréquence, une méthode de communication quantique qui exploite des photons uniques résidant simultanément dans deux fréquences différentes.
“La mesure de ces états de Bell est fondamentale pour les communications quantiques”, a déclaré Joseph Lukens, chercheur à l’ORNL, boursier Wigner et membre de l’équipe. “Pour réaliser des choses comme la téléportation et l’échange d’intrication, vous avez besoin d’un analyseur d’état de Bell”.
La téléportation est l’acte d’envoyer des informations d’une partie à une autre à travers une distance physique significative, et l’échange d’intrication se réfère à la capacité d’enchevêtrer des paires de qubits précédemment non enchevêtrés.
“Imaginez que vous avez deux ordinateurs quantiques reliés par un réseau de fibres optiques”, a déclaré Lukens. “En raison de leur séparation spatiale, ils ne peuvent pas interagir l’un avec l’autre par eux-mêmes.
“Cependant, supposons qu’ils puissent chacun être intriqués localement avec un seul photon. En envoyant ces deux photons dans une fibre optique, puis en effectuant une mesure de l’état de Bell à l’endroit où ils se rencontrent, le résultat final sera que les deux ordinateurs quantiques distants sont maintenant intriqués – même s’ils n’ont jamais interagi. Cette permutation d’intrication est une capacité essentielle pour la construction de réseaux quantiques complexes.”
Bien qu’il existe quatre états de Bell au total, l’analyseur ne peut en distinguer que deux à un moment donné. Mais c’est très bien ainsi, car pour mesurer les deux autres états, il faudrait ajouter une immense complexité qui n’est pas nécessaire jusqu’à présent.
L’analyseur a été conçu à l’aide de simulations et a démontré une fidélité de 98% ; les 2% d’erreurs restantes sont le résultat du bruit inévitable provenant de la préparation aléatoire des photons de test, et non de l’analyseur lui-même, a déclaré Lukens. Cet incroyable précision permet de mettre en place les protocoles de communication fondamentaux nécessaires aux bins de fréquence, un sujet de recherche antérieur de M. Lukens.
À l’automne 2020, Lukens et ses collègues de Purdue ont montré pour la première fois comment des qubits à bacs de fréquence uniques peuvent être entièrement contrôlés selon les besoins pour transférer des informations sur un réseau quantique.
En utilisant une technologie développée à l’ORNL connue sous le nom de processeur de fréquence quantique, les chercheurs ont démontré des portes quantiques largement applicables, ou les opérations logiques nécessaires à l’exécution de protocoles de communication quantiques. Dans ces protocoles, les chercheurs doivent être en mesure de manipuler les photons d’une manière définie par l’utilisateur, souvent en réponse à des mesures effectuées sur des particules situées ailleurs dans le réseau.
Alors que les opérations traditionnelles utilisées dans les ordinateurs classiques et les technologies de communication, telles que AND/OR, opèrent individuellement sur les zéros et les uns numériques, les portes quantiques opèrent sur des superpositions simultanées de zéros et de uns, protégeant ainsi l’information quantique lors de son passage, un phénomène nécessaire pour réaliser un véritable réseau quantique.
Si le codage de fréquence et l’intrication apparaissent dans de nombreux systèmes et sont naturellementcompatible avec les fibres optiques, l’utilisation de ces phénomènes pour effectuer des opérations de manipulation et de traitement des données s’est traditionnellement avérée difficile.
L’analyseur d’état de Bell étant achevé, M. Lukens et ses collègues envisagent de passer à une expérience complète d’échange d’intrication, qui serait la première de ce type dans le domaine du codage de fréquence. Ce travail est prévu dans le cadre du projet Quantum-Accelerated Internet Testbed de l’ORNL, récemment attribué par le DOE.
Référence : “Bell state analyzer for spectrally distinct photons” par Navin B. Lingaraju, Hsuan-Hao Lu, Daniel E. Leaird, Steven Estrella, Joseph M. Lukens et Andrew M. Weiner, 4 mars, 2022, Optica.
DOI : 10.1364/OPTICA.443302
Ce travail a été financé en partie par le DOE’s Office of Science par le biais du Early Career Research Program.
L’UT-Battelle gère l’ORNL pour le compte de l’Office of Science du ministère de l’Énergie, le plus grand soutien à la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis. L’Office of Science s’efforce de relever certains des défis les plus pressants de notre époque.
