Le cœur du système pour générer des groupes de photons est une cellule de verre remplie de vapeur de gaz chaud. L'éclairage de la cellule avec un laser entraîne l'émission de photons avec une longueur d'onde dans la gamme du spectre infrarouge. Crédit:UW Physics, Mateusz Mazelanik
Des physiciens de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie ont développé un dispositif de mémoire atomique holographique capable de générer des photons uniques à la demande en groupes de plusieurs dizaines ou plus. Le dispositif, démontré avec succès dans la pratique, surmonte l'un des obstacles fondamentaux à la construction d'un ordinateur quantique.
Entièrement sécurisé, la communication quantique à haut débit et l'informatique quantique font partie des applications possibles de cette nouvelle source de photons uniques. C'est le premier appareil qui permet la production à la demande d'un groupe de photons contrôlé avec précision, par opposition à un seul.
"Par rapport aux solutions et idées existantes, notre appareil est beaucoup plus efficace et permet une intégration à plus grande échelle. Au sens fonctionnel, on peut même le considérer comme un premier équivalent d'un petit circuit intégré fonctionnant sur des photons uniques, " explique le Dr Wojciech Wasilewski (UW Physics), l'un des auteurs d'un article publié dans Lettres d'examen physique .
Les premières sources à photons uniques ont été inventées dans les années 1970, et même si les nombreux types qui existent aujourd'hui ont encore de nombreux inconvénients, Les photons uniques sont utilisés avec succès dans les protocoles de communication quantique qui garantissent une confidentialité totale. Cependant, pour pouvoir effectuer des calculs quantiques complexes, il faut des groupes de photons.
La méthode la plus simple pour générer des groupes de photons est d'utiliser un nombre suffisamment important de sources. Les dispositifs actuels exploitent le phénomène de down-conversion paramétrique spontanée (SPDC). Sous certaines conditions, un photon généré par un laser peut se scinder en deux nouveaux, chacun avec la moitié de la quantité d'énergie, et avec toutes les autres propriétés liées par les principes de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. Ainsi, lorsque l'information est codée sur l'un des photons de la paire, les propriétés de l'autre photon sont connues, qui restent néanmoins non perturbés par l'observation et donc parfaitement adaptés aux opérations quantiques. Malheureusement, chaque source SPDC génère des photons uniques lentement et de manière assez aléatoire.
En 2013, une équipe de physiciens des universités d'Oxford et de Londres a proposé un protocole beaucoup plus efficace pour générer des groupes de photons. L'idée était de placer une mémoire quantique à chaque source, qui serait capable de stocker des photons émis, qui pourrait alors être libéré au même moment. Les calculs ont montré que l'échelle de temps nécessaire pour émettre un groupe de 10 photons serait raccourcie de 10 ordres de grandeur, de l'année à la microseconde.
Wojciech Wasilewski (à gauche) et Michal Dabrowski de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie font la démonstration du générateur de photons uniques basé sur la mémoire quantique holographique. Ici, la cellule en verre remplie de gaz est située à l'intérieur du blindage magnétique utilisé pour éliminer les perturbations externes. Crédit:UW Physics, Mateusz Mazelanik
La source développée par les physiciens de l'Université de Varsovie représente la première mise en œuvre de ce concept. Ici, tous les photons sont créés immédiatement dans la mémoire quantique à la suite d'une impulsion laser qui ne dure que quelques microsecondes. Les sources externes de photons uniques ne sont plus nécessaires, et le nombre nécessaire de mémoires quantiques est réduit à une seule.
"L'ensemble de notre dispositif expérimental occupe environ deux mètres carrés de la surface de notre table optique. Mais les événements les plus importants ont lieu dans la mémoire elle-même, dans un cylindre de verre mesurant environ 10 cm de longueur et 2,5 cm de diamètre. Quiconque s'attendrait à voir à l'intérieur du cylindre un design sophistiqué sera grandement déçu :l'intérieur de la cellule n'est rempli que de paires d'atomes de rubidium 87Rb à 60 à 80 degrés Celsius", dit Michal Dabrowski, un doctorat étudiant à UW Physics.
L'appareil est une mémoire spatialement multimode :des photons individuels peuvent être placés, stocké, traité et lu dans différentes zones à l'intérieur du cylindre, agissant comme des tiroirs mémoire séparés. L'opération d'écriture, réalisée avec un faisceau laser, fonctionne en conservant un hologramme sous forme d'excitations atomiques. L'éclairage du système avec le laser permet aux chercheurs de reconstruire l'hologramme et de lire le contenu de la mémoire.
Dans les expériences, la nouvelle source a généré un groupe de jusqu'à 60 photons. Les calculs montrent que dans des conditions réalistes, l'utilisation de lasers de plus grande puissance pourrait porter ce nombre jusqu'à plusieurs milliers. (Les calculs impliqués dans l'analyse des données de cette expérience étaient d'une telle complexité qu'ils nécessitaient la puissance de calcul de 53, 000 cœurs de réseau de l'infrastructure PL-Grid).
En raison du bruit, pertes et autres processus parasites, la mémoire quantique d'UW Physics peut stocker des photons de plusieurs à plusieurs dizaines de microsecondes. Bien que cette période semble insignifiante, il existe des systèmes permettant d'effectuer des opérations simples sur des photons en nanosecondes. Dans la nouvelle mémoire quantique, les chercheurs peuvent, en principe, effectuer plusieurs centaines d'opérations sur chaque photon, ce qui est suffisant pour la communication quantique et le traitement de l'information.
Avoir une telle source de travail de grands groupes de photons est une étape importante vers la construction d'un type d'ordinateur quantique capable d'effectuer des calculs en beaucoup moins de temps que les meilleures machines informatiques modernes. Il y a plusieurs années, il a été montré que la réalisation d'opérations d'optique linéaire simples sur des photons peut augmenter la vitesse de l'informatique quantique. La complexité de ces calculs dépend du nombre de photons traités simultanément. Cependant, les limitations des sources de grands groupes de photons ont empêché le développement d'ordinateurs quantiques linéaires, en les limitant à des opérations mathématiques élémentaires.
En plus des calculs quantiques, le circuit intégré photonique peut être utile en communication quantique. Actuellement, il s'agit d'envoyer des photons uniques à l'aide d'une fibre optique. La nouvelle source permettrait à de nombreux photons d'entrer simultanément dans la fibre optique, et augmenterait donc la capacité des canaux quantiques.