Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Université de Bristol a démontré que la lumière peut être utilisée pour mettre en œuvre un processeur quantique multifonctionnel.

Ce petit appareil peut être utilisé comme un outil scientifique pour effectuer un large éventail d'expériences d'information quantique, tout en montrant la voie à suivre pour concevoir des ordinateurs quantiques pleinement fonctionnels à partir de processus de fabrication à grande échelle.

Ils l'ont fait en concevant une puce de silicium qui guide des particules individuelles de lumière, appelés photons dans des pistes optiques appelées guides d'ondes pour coder des bits d'information dits quantiques appelés "qubits".

L'effort international s'intensifie pour développer des ordinateurs quantiques en tant que prochaine étape de la puissance de calcul, pour augmenter les types de tâches que les ordinateurs peuvent résoudre pour nous.

Dans les ordinateurs de bureau d'aujourd'hui, super-ordinateurs et smartphones, les bits prennent la forme d'un « 1 » ou d'un « 0 » et ils sont le bloc de construction fondamental sur lequel sont basés tous les ordinateurs actuellement utilisés dans la société.

Les ordinateurs quantiques sont plutôt basés sur des "qubits" qui peuvent être dans une superposition des états 0 et 1. Plusieurs qubits peuvent également être liés d'une manière spéciale appelée intrication quantique. Ces deux propriétés physiques quantiques fournissent la puissance aux ordinateurs quantiques.

L'un des défis consiste à fabriquer des processeurs d'ordinateurs quantiques qui peuvent être reprogrammés pour effectuer différentes tâches, tout comme nous avons aujourd'hui des ordinateurs qui peuvent être reprogrammés pour exécuter différentes applications.

Un deuxième défi est de savoir comment fabriquer un ordinateur quantique de manière à ce que ses nombreuses pièces puissent être fabriquées avec une très haute qualité et finalement à faible coût.

L'équipe de Bristol a utilisé des puces photoniques au silicium comme moyen d'essayer de construire des composants informatiques quantiques à grande échelle et le résultat d'aujourd'hui, publié dans la revue Photonique de la nature , démontre qu'il est possible de contrôler entièrement deux qubits d'information au sein d'une seule puce intégrée. Cela signifie toute tâche qui peut être réalisée avec deux qubits, peut être programmé et réalisé avec l'appareil.

Auteur principal, Dr Xiaogang Qiang, qui a entrepris le travail tout en étudiant pour un doctorat. à l'Université de Bristol, et travaille maintenant à l'Université nationale de technologie de la défense en Chine, a déclaré :« Ce que nous avons démontré est une machine programmable qui peut effectuer de nombreuses tâches différentes.

"C'est un processeur très primitif, car il ne fonctionne que sur deux qubits, ce qui signifie qu'il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant de pouvoir effectuer des calculs utiles avec cette technologie.

"Mais ce qui est excitant, c'est que les différentes propriétés de la photonique sur silicium qui peuvent être utilisées pour fabriquer un ordinateur quantique ont été combinées dans un seul appareil.

"C'est tout simplement trop compliqué à mettre en œuvre physiquement avec de la lumière en utilisant les approches précédentes."

L'effort de photonique intégré a commencé en 2008 et était une réponse à la préoccupation croissante selon laquelle les miroirs individuels et les éléments optiques sont tout simplement trop gros et instables pour réaliser les grands circuits complexes qu'un ordinateur quantique sera construit.

Dr Jonathan Matthews, membre de l'équipe de recherche basée au Quantum Engineering Technology (QET) Labs de l'Université de Bristol, a ajouté :« Nous devons chercher à créer des ordinateurs quantiques à partir d'une technologie évolutive, qui comprend une technologie dont nous savons qu'elle peut être construite avec une précision incroyable à une échelle énorme.

"Nous pensons que le silicium est un matériau prometteur pour ce faire, en partie à cause de tous les investissements qui ont déjà été consacrés au développement du silicium pour les industries de la micro-électronique et de la photonique. Et les types d'appareils développés à Bristol, comme celui présenté aujourd'hui, montrent à quel point les dispositifs quantiques peuvent être conçus.

"Une conséquence de la sophistication et de la fonctionnalité croissantes de ces appareils est qu'ils deviennent un outil de recherche à part entière - nous avons utilisé cet appareil pour mettre en œuvre plusieurs expériences d'information quantique différentes utilisant près de 100, 000 réglages reprogrammés différents."

L'étude est publiée dans Photonique de la nature .