Une équipe internationale de scientifiques et d'ingénieurs quantiques dirigée par l'Université de Bristol et impliquant des groupes de Chine, Danemark, Espagne, Allemagne et Pologne, ont réalisé un dispositif photonique quantique au silicium avancé à grande échelle capable d'enchevêtrer des photons à des niveaux de précision incroyables.

Alors que le matériel quantique standard enchevêtre les particules dans deux états, l'équipe a trouvé un moyen de générer et d'entremêler des paires de particules ayant chacune 15 états.

La puce photonique intégrée établit une nouvelle norme en matière de complexité et de précision de la photonique quantique, avec des applications immédiates pour les technologies quantiques.

La photonique quantique intégrée permet le routage et le contrôle de particules de lumière uniques avec une stabilité et une précision intrinsèquement élevées, cependant, à ce jour, il s'est limité à des démonstrations à petite échelle dans lesquelles seul un petit nombre de composants sont intégrés sur une puce.

La mise à l'échelle de ces circuits quantiques est d'une importance primordiale pour augmenter la complexité et la puissance de calcul des technologies modernes de traitement de l'information quantique, ouvrant la possibilité de nombreuses applications révolutionnaires.

L'équipe, dirigé par des scientifiques des laboratoires de technologie d'ingénierie quantique de l'Université de Bristol (QET Labs) a démontré le tout premier circuit photonique quantique intégré à grande échelle, qui intègre des centaines de composants essentiels, peut générer, contrôler et analyser l'enchevêtrement de grande dimension avec un niveau de précision sans précédent.

La puce quantique a été réalisée à l'aide d'une technologie photonique sur silicium évolutive, semblable aux circuits électroniques d'aujourd'hui, qui ouvrirait la voie à la fabrication de composants massifs pour la réalisation d'un ordinateur quantique optique.

L'oeuvre, en collaboration avec l'Université de Pékin, Université technique du Danemark (DTU), Institut de Sciences Fotoniques (ICFO), Institut Max Planck, Centre de physique théorique de l'Académie polonaise des sciences, et Université de Copenhague, a été publié aujourd'hui dans la revue Science .

Le contrôle cohérent et précis des grands dispositifs quantiques et des systèmes d'intrication multidimensionnels complexes a été une tâche difficile en raison des interactions complexes des particules corrélées dans les grands systèmes quantiques. Des progrès significatifs vers la réalisation de dispositifs quantiques à grande échelle ont été récemment rapportés dans une variété de plates-formes, y compris les photons, supraconducteurs, ions, points et défauts.

En particulier, la photonique représente une approche prometteuse pour coder et traiter naturellement des états qudit multidimensionnels dans les différents degrés de liberté du photon.

Dans ce travail, un système enchevêtré multidimensionnel codé par chemin programmable avec une dimension jusqu'à 15 × 15 est démontré, où deux photons existent sur 15 chemins optiques en même temps et sont intriqués les uns avec les autres.

Cet intrication multidimensionnelle est réalisée en exploitant des circuits quantiques silicium-photonique, intégrant dans une seule puce, 550 composants optiques, comprenant 16 sources de paires de photons identiques, 93 déphaseurs optiques, 122 séparateurs de faisceau.

Auteur principal, Dr Jianwei Wang, a déclaré :« C'est la maturité de la photonique sur silicium d'aujourd'hui qui nous permet de faire évoluer la technologie et d'atteindre une intégration à grande échelle des circuits quantiques.

"C'est la plus belle chose de la photonique quantique sur silicium. Notre puce quantique nous permet d'atteindre des niveaux de précision et de contrôle de l'intrication multidimensionnel sans précédent, un facteur clé dans de nombreuses tâches d'information quantique de l'informatique et de la communication."

Chercheur principal, auteur correspondant Yunhong Ding de DTU, Centre de photonique sur silicium pour la communication optique (SPOC), ajoute :« Les nouvelles technologies permettent toujours de nouvelles applications.

"Les capacités de nos technologies intégrées de photonique sur silicium à DTU permettent à grande échelle, puces de traitement de l'information quantique hautement stables, qui nous permettent d'observer des corrélations quantiques multidimensionnelles de haute qualité, y compris des violations généralisées du pilotage Bell et EPR, et aussi pour mettre en œuvre des protocoles quantiques multidimensionnels inexplorés expérimentalement :expansion de l'aléatoire multidimensionnel et autotest d'état. »

Dr Anthony Laing, un universitaire principal dans les QETLabs de Bristol et auteur correspondant, a déclaré:"L'intrication est une caractéristique fascinante de la mécanique quantique et que nous ne comprenons pas encore complètement. Cet appareil et les futures générations de puces de complexité et de sophistication croissantes nous permettront d'explorer ce domaine de la science quantique et de faire de nouvelles découvertes. "

Professeur Mark Thompson, chef de l'équipe Bristol, a ajouté :« Nous avons utilisé les mêmes outils et techniques de fabrication qui sont exploités dans l'industrie de la microélectronique d'aujourd'hui pour réaliser notre micropuce photonique quantique en silicium. Cependant, contrairement aux circuits électroniques conventionnels qui utilisent le comportement classique des électrons, nos circuits exploitent les propriétés quantiques d'une seule particule de lumière. Cette approche de la photonique sur silicium aux technologies quantiques offre une voie claire pour passer à l'échelle des millions de composants qui sont finalement nécessaires pour les applications d'informatique quantique à grande échelle. »