Certains dirigeants puissants du monde peuvent rêver de la possibilité d'entrer en contact avec leurs collègues sur différents continents sans être remarqués par des amis ou des ennemis. Un jour, les nouvelles technologies quantiques pourraient permettre de réaliser ces souhaits. Des physiciens du monde entier travaillent à la réalisation de réseaux quantiques à grande échelle dans lesquels des quanta de lumière uniques transfèrent des informations quantiques (secrètes) vers des nœuds stationnaires à de grandes distances. Les blocs de construction fondamentaux de ces réseaux quantiques sont, par exemple, des répéteurs quantiques qui neutralisent la perte d'informations quantiques sur de grandes distances, ou des portes logiques quantiques nécessaires au traitement des informations quantiques.

Maintenant, une équipe de scientifiques autour du professeur Gerhard Rempe, directeur au Max Planck Institute of Quantum Optics et chef de la division Quantum Dynamics, a démontré la faisabilité d'un nouveau concept de porte quantique ( Phys. Rév. X 8, 011018, 6 février 2018). Ici, les photons frappant une cavité optique médient une interaction entre deux atomes piégés à l'intérieur. Cette interaction est la base pour effectuer des opérations de porte caractéristiques entre les atomes, par exemple le fonctionnement en porte CNOT ou la génération d'intrication. La nouvelle méthode offre de nombreux avantages :par exemple, les opérations de porte ont lieu en quelques microsecondes, ce qui est un atout pour le traitement de l'information quantique. Aussi, le mécanisme de porte peut être appliqué à d'autres plateformes expérimentales, et la porte à deux atomes peut servir de bloc de construction dans un répéteur quantique.

L'élément central de l'expérience (voir figure 1) est un résonateur optique asymétrique à haute finesse, composé d'un miroir à haute réflexion (à gauche) et d'un miroir à transmission finie (à droite). Deux atomes de rubidium électriquement neutres sont piégés au centre de la cavité. Chaque atome porte un qubit, c'est-à-dire des informations quantiques qui sont codées dans la superposition de deux états fondamentaux stables qui correspondent aux bits classiques "0" et "1". "L'un des états fondamentaux est en résonance avec le champ lumineux de la cavité. Par conséquent, les atomes et la cavité forment un système fortement couplé, " explique Stephan Welte, qui travaille sur l'expérience pour sa thèse de doctorat. "C'est pourquoi les atomes peuvent se parler. Ce processus ne peut pas avoir lieu dans l'espace libre."

Pour exécuter la porte, des photons uniques sont envoyés sur le miroir semi-transparent. Puis, selon les états initiaux des atomes, différents scénarios sont possibles. "Lorsque les deux atomes sont dans l'état de non-couplage, le photon peut entrer dans la cavité, et une onde lumineuse stationnaire entre les deux miroirs s'accumule, " dit Bastian Hacker, un autre doctorant sur l'expérience. « Les atomes peuvent communiquer via ce champ lumineux :s'il est présent, la phase des qubits stockés subit une rotation de 180 degrés." Dans tous les autres cas, si un ou les deux atomes sont en résonance avec les modes de cavité, le photon se bloque hors de la cavité, et l'état des atomes n'acquiert pas de déphasage.

Ces effets sont utilisés pour exécuter des opérations mathématiques de base (portes quantiques) entre les deux atomes, comme l'a démontré l'équipe de Garching avec deux opérations de portes caractéristiques. D'un côté, les scientifiques montrent que leur configuration expérimentale peut fonctionner comme une porte C(contrôlée)NOT typique :ici, l'état d'entrée du qubit (de contrôle) décide si l'état de l'autre (cible) est modifié ou non. Afin de démontrer cette fonctionnalité, l'opération de porte est exécutée sur un ensemble de quatre états d'entrée orthogonaux, et dans chaque cas, l'état de sortie résultant est déterminé. A partir de ces mesures, une table est dérivée qui ressemble à une porte XOR classique.

D'autre part, dans une autre série de mesures, les scientifiques prouvent la création d'états de sortie intriqués quantiques à partir de deux atomes initialement indépendants. "À cette fin, les atomes sont préparés dans une superposition cohérente des deux états fondamentaux, " fait remarquer Stephan Welte. " Par conséquent, les deux cas - que le photon entre dans la cavité et qu'il soit rejeté - se superposent en mécanique quantique, et l'opération de la porte conduit à l'enchevêtrement des atomes."

"Le mécanisme qui sous-tend le fonctionnement de la porte est très simple et élégant car il ne comporte qu'une seule étape physique. Contrairement à d'autres mécanismes de porte, la distance entre les qubits - dans notre cas 2 à 12 micromètres - n'a aucune importance, » souligne Bastian Hacker. « Aussi, notre porte ne repose pas sur la plate-forme spécifique des atomes de rubidium. Elle pourrait tout aussi bien s'appliquer à de nombreux autres types d'atomes, ions ou, par exemple, des points quantiques à l'état solide qui transportent des informations quantiques." Le professeur Gerhard Rempe envisage même d'autres extensions du système. "Nous envisageons de placer plusieurs atomes, au lieu de seulement deux, dans la cavité. Notre mécanisme de porte pourrait fonctionner sur plusieurs d'entre eux en même temps." Dans un réseau quantique à grande échelle, les nœuds multi-qubits pourraient servir de petits ordinateurs quantiques qui effectuent des calculs de base et envoient leurs résultats à d'autres nœuds.