Une équipe de chercheurs dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a démontré une nouvelle méthode pour diviser les faisceaux lumineux en leurs modes de fréquence. Les scientifiques peuvent alors choisir les fréquences avec lesquelles ils souhaitent travailler et coder les photons avec des informations quantiques. Leurs travaux pourraient stimuler les progrès du traitement de l'information quantique et de l'informatique quantique distribuée.

Les conclusions de l'équipe ont été publiées dans Lettres d'examen physique .

La fréquence de la lumière détermine sa couleur. Lorsque les fréquences sont séparées, comme dans un arc-en-ciel, chaque photon couleur peut être encodé avec des informations quantiques, livrés en unités appelées qubits. Les qubits sont analogues mais différents des bits classiques, qui ont une valeur de 0 ou 1, car les qubits sont codés avec les valeurs 0 et 1 en même temps.

Les chercheurs comparent le traitement de l'information quantique au fait d'entrer dans un couloir et de pouvoir aller dans les deux sens, alors qu'en informatique classique, un seul chemin est possible.

L'approche novatrice de l'équipe, avec la première démonstration d'un tritter de fréquence, un instrument qui divise la lumière en trois fréquences - a renvoyé des résultats expérimentaux qui correspondaient à leurs prédictions et ont montré que de nombreuses opérations de traitement de l'information quantique peuvent être exécutées simultanément sans augmenter l'erreur. Le système quantique a fonctionné comme prévu dans des conditions de plus en plus complexes sans dégrader les informations codées.

« Dans nos conditions expérimentales, nous avons obtenu un facteur 10 meilleur que les taux d'erreur typiques, " dit Nicholas Peters, Chef d'équipe de Quantum Communications pour le Quantum Information Science Group de l'ORNL. "Cela établit notre méthode en tant que précurseur pour le traitement de l'information quantique basé sur la fréquence de haute dimension."

Les photons peuvent transporter des informations quantiques dans des superpositions - où les photons ont simultanément plusieurs valeurs de bits - et la présence de deux systèmes quantiques en superposition peut conduire à un enchevêtrement, une ressource clé en informatique quantique.

L'intrication augmente le nombre de calculs qu'un ordinateur quantique peut exécuter, et l'accent mis par l'équipe sur la création d'états de fréquence plus complexes vise à rendre les simulations quantiques plus puissantes et efficaces. La méthode des chercheurs est également remarquable car elle démontre la porte d'Hadamard, l'un des circuits élémentaires requis pour l'informatique quantique universelle.

"Nous avons pu démontrer d'emblée des résultats extrêmement fidèles, ce qui est très impressionnant pour l'approche optique, " dit Pavel Lougovski, le chercheur principal du projet. « Nous sommes en train de créer un sous-domaine ici à l'ORNL avec notre travail de codage basé sur la fréquence. »

La méthode exploite une technologie de télécommunications largement disponible avec des composants prêts à l'emploi tout en produisant des résultats de haute fidélité. Des efforts pour développer des répéteurs quantiques, qui étendent la distance que l'information quantique peut être transmise entre des ordinateurs physiquement séparés, bénéficieront de ce travail.

« Le fait que notre méthode soit compatible avec les réseaux télécom est un gros avantage, " a déclaré Lougovski. " Nous pourrions effectuer des opérations quantiques sur les réseaux de télécommunications si nécessaire. "

Peters a ajouté que leur projet démontre que la bande passante de fibre optique inutilisée pourrait être exploitée pour réduire le temps de calcul en exécutant des opérations en parallèle.

"Notre travail utilise le principal avantage de la fréquence - la stabilité - pour obtenir une très haute fidélité et ensuite faire des sauts de fréquence contrôlés quand nous le voulons, " a déclaré Joseph Lukens, Fellow Wigner, qui a dirigé l'expérience ORNL. Les chercheurs ont montré expérimentalement que les systèmes quantiques peuvent être transformés pour produire les résultats souhaités.

Les chercheurs suggèrent que leur méthode pourrait être associée à la technologie de séparation de faisceau existante, tirer parti des atouts des deux et rapprocher la communauté scientifique de la pleine utilisation du traitement de l'information quantique photonique basé sur la fréquence.

Peters, Lougovski et Lukens, tous les physiciens du Quantum Information Science Group de l'ORNL, collaboré avec l'étudiant diplômé Hsuan-Hao Lu, professeur Andrew Weiner, et ses collègues de l'Université Purdue. L'équipe a publié la théorie de leurs expériences dans Optique en janvier 2017.