Un convertisseur à photon unique (un boîtier jaune-orange) installé sur une fibre optique de l'installation du laboratoire. Crédit :UW, Grzegorz Krzysewski
Une équipe de physiciens polono-britannique a construit et testé un appareil compact, convertisseur efficace capable de modifier les propriétés quantiques des photons individuels. Le nouveau dispositif devrait faciliter la construction d'ordinateurs quantiques complexes, et à l'avenir peut devenir un élément important dans les réseaux quantiques mondiaux, les successeurs de l'Internet d'aujourd'hui.
Internet quantique et ordinateurs quantiques hybrides, construit à partir de sous-systèmes qui fonctionnent au moyen de phénomènes physiques, sont désormais plus que de l'imagination. Dans un article publié dans Photonique de la nature , des physiciens de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie (FUW) et de l'Université d'Oxford rapportent le développement d'un élément clé de tels systèmes :un dispositif électro-optique qui permet de modifier les propriétés des photons individuels. Contrairement aux constructions de laboratoire existantes, ce nouvel appareil fonctionne avec une efficacité auparavant inaccessible et est en même temps stable, fiable et compact.
Construire un dispositif efficace pour modifier l'état quantique des photons individuels était une tâche exceptionnellement difficile, étant donné les différences fondamentales entre l'informatique classique et quantique.
Les systèmes informatiques contemporains sont basés sur le traitement de groupes de bits, dont chacun est dans un état spécifique :0 ou 1. Des groupes de ces bits sont continuellement transférés entre différents sous-composants au sein d'un même ordinateur, et entre différents ordinateurs du réseau. Nous pouvons illustrer cela au sens figuré en imaginant une situation dans laquelle des plateaux de pièces sont déplacés d'un endroit à l'autre, avec chaque pièce montrant soit pile soit face.
Un seul photon - un porteur d'informations quantiques - voyage comme une pièce de monnaie en rotation, dans une superposition d'états. Modifier ses propriétés est extrêmement difficile et doit être fait avec soin, sans détruire la superposition. Crédit :FUW, Grzegorz Krzyzewski
Les choses sont plus compliquées en informatique quantique, qui repose sur le phénomène de superposition d'états. Un peu quantique, connu sous le nom de qubit, peut être à la fois à l'état 1 et à l'état 0 en même temps. Pour prolonger la métaphore des pièces de monnaie, ceci est analogue à une situation dans laquelle chaque pièce tourne sur son fil. Le traitement de l'information peut être décrit comme un traitement "quantique" tant que cette superposition d'états est conservée pendant toutes les opérations - en d'autres termes, tant qu'aucune des pièces ne sort de l'état de rotation pendant le déplacement du plateau.
"Dans les années récentes, les physiciens ont compris comment générer des impulsions lumineuses avec une longueur d'onde ou une polarisation spécifique, consistant en un seul quantum - ou excitation - du champ électromagnétique. Et donc aujourd'hui, nous savons comment générer précisément n'importe quel type de « pièces tournantes » quantiques que nous voulons, " dit le Dr Michal Karpinski de l'Institut de physique expérimentale (FUW), l'un des auteurs de la publication. "Mais réaliser une chose vous laisse toujours en vouloir plus. Si nous avons maintenant des quanta de lumière individuels avec des propriétés spécifiques, il serait utile de modifier ces propriétés. La tâche consiste donc à prendre une pièce d'argent en rotation et à la déplacer d'un endroit à un autre, tout en le transformant rapidement et précisément en pièce d'or, naturellement sans le renverser. Vous pouvez facilement voir que le problème n'est pas trivial."
Les méthodes existantes de modification de photons individuels ont utilisé des techniques optiques non linéaires - en pratique, tenter de forcer un photon individuel à interagir avec un faisceau de pompe optique très puissant. Que le photon soit réellement modifié est une question de pur hasard. De plus, la diffusion du faisceau de pompage peut contaminer le flux de photons individuels. Lors de la construction du nouvel appareil, le groupe de l'Université de Varsovie et de l'Université d'Oxford a décidé d'utiliser un phénomène physique différent :l'effet électro-optique se produisant dans certains cristaux. Il fournit un moyen de modifier l'indice de réfraction de la lumière dans le cristal en faisant varier l'intensité d'une force magnétique externe qui lui est appliquée (en d'autres termes, sans introduire de photons supplémentaires).
"Il est assez étonnant que pour modifier les propriétés quantiques des photons individuels, nous pouvons appliquer avec succès des techniques très similaires à celles utilisées dans les télécommunications standard par fibre optique, " dit le Dr Karpinski.
D'habitude, en raison de l'inadéquation des propriétés, la majorité des photons uniques ne peuvent pas être stockés efficacement, par ex. dans la mémoire quantique (représentée par une boîte blanche). Le nouveau convertisseur permet de modifier les propriétés des photons afin que la quasi-totalité d'entre eux puissent être stockés à l'intérieur de la mémoire. Crédit :FUW, Grzegorz Krzyzewski
À l'aide du nouvel appareil, les chercheurs ont multiplié par six la durée d'une impulsion monophotonique sans perturber la superposition quantique, ce qui signifie automatiquement un rétrécissement de son spectre. Ce qui est particulièrement important, c'est que l'ensemble de l'opération a été réalisé en conservant un rendement de conversion très élevé. Les convertisseurs existants n'ont fonctionné que dans des conditions de laboratoire et n'ont pu modifier qu'un photon sur plusieurs dizaines. Le nouvel appareil fonctionne avec une efficacité supérieure à 30 pour cent, jusqu'à 200 fois mieux que certaines solutions existantes, tout en conservant un faible niveau de bruit.
« En substance, nous traitons chaque photon entrant dans le cristal. L'efficacité est inférieure à 100 pour cent pas à cause de la physique du phénomène, mais en raison de pertes difficiles à éviter de nature purement technique, apparaissant, par exemple, lorsque la lumière entre ou sort des fibres optiques, " explique le doctorant Michal Jachura (FUW).
Le nouveau convertisseur est non seulement efficace et silencieux, mais aussi stable et compact. L'appareil peut être contenu dans une boîte d'environ 10 cm (4 pouces), facile à installer dans un système de fibre optique canalisant les photons individuels. Un tel dispositif pourrait permettre de construire des choses telles que des ordinateurs quantiques hybrides, dont les sous-composants individuels traiteraient l'information en utilisant différentes plates-formes physiques et phénomènes quantiques. Maintenant, des tentatives sont faites pour construire des ordinateurs quantiques en utilisant des choses comme des ions piégés, spins d'électrons dans le diamant, points quantiques, circuits électriques supraconducteurs, et les nuages atomiques. Chaque système interagit avec la lumière de propriétés différentes, ce qui exclut en pratique la transmission optique d'informations quantiques entre différents systèmes. Le nouveau convertisseur, d'autre part, peut transformer efficacement des impulsions lumineuses monophotoniques compatibles avec un système en impulsions compatibles avec un autre. Les scientifiques travaillent donc vers des réseaux quantiques, les deux petits dans un seul ordinateur quantique (ou sous-composant de celui-ci), et mondiales offrant un moyen d'envoyer des données en toute sécurité entre des ordinateurs quantiques situés dans différentes parties du monde.
