Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont démontré un nouveau niveau de contrôle sur les photons codés avec des informations quantiques. Leurs recherches ont été publiées dans Optique .

Joseph Lukens, Brian Williams, Nicolas Peters, et Pavel Lougovski, chercheurs du Quantum Information Science Group de l'ORNL, effectué distinct, opérations indépendantes simultanément sur deux qubits codés sur des photons de fréquences différentes, une capacité clé dans l'informatique quantique optique linéaire. Les qubits sont la plus petite unité d'information quantique.

Les scientifiques quantiques travaillant avec des qubits codés en fréquence ont pu effectuer une seule opération sur deux qubits en parallèle, mais c'est insuffisant pour l'informatique quantique.

"Pour réaliser l'informatique quantique universelle, vous devez être capable de faire différentes opérations sur différents qubits en même temps, et c'est ce que nous avons fait ici, ", a déclaré Lougovski.

Selon Lougovski, Le système expérimental de l'équipe, deux photons enchevêtrés contenus dans un seul brin de câble à fibre optique, est « le plus petit ordinateur quantique que vous puissiez imaginer. Cet article marque la première démonstration de notre approche basée sur la fréquence de l'informatique quantique universelle ».

"Beaucoup de chercheurs parlent de traitement de l'information quantique avec des photons, et même en utilisant la fréquence, " a déclaré Lukens. "Mais personne n'avait pensé à envoyer plusieurs photons à travers le même brin de fibre optique, dans le même espace, et les opérer différemment."

Le processeur de fréquence quantique de l'équipe leur a permis de manipuler la fréquence des photons pour provoquer une superposition, un état qui permet les opérations quantiques et l'informatique.

Contrairement aux bits de données codés pour le calcul classique, les qubits superposés codés dans la fréquence d'un photon ont une valeur de 0 et 1, plutôt que 0 ou 1. Cette capacité permet aux ordinateurs quantiques d'effectuer simultanément des opérations sur des ensembles de données plus volumineux que les supercalculateurs actuels.

À l'aide de leur processeur, les chercheurs ont démontré une visibilité d'interférence de 97 pour cent, une mesure de la similitude de deux photons, par rapport au taux de visibilité de 70 pour cent obtenu dans une recherche similaire. Leur résultat a indiqué que les états quantiques des photons étaient pratiquement identiques.

Les chercheurs ont également appliqué une méthode statistique associée à l'apprentissage automatique pour prouver que les opérations étaient effectuées avec une très grande fidélité et de manière totalement contrôlée.

"Nous avons pu extraire plus d'informations sur l'état quantique de notre système expérimental en utilisant l'inférence bayésienne que si nous avions utilisé des méthodes statistiques plus courantes, ", a déclaré Williams.

"Ce travail représente la première fois que le processus de notre équipe a donné un résultat quantique réel."

Williams a souligné que leur configuration expérimentale offre stabilité et contrôle. "Lorsque les photons empruntent des chemins différents dans l'équipement, ils subissent différents changements de phase, et cela conduit à l'instabilité, " dit-il. " Quand ils voyagent avec le même appareil, dans ce cas, le brin de fibre optique, vous avez un meilleur contrôle."

La stabilité et le contrôle permettent des opérations quantiques qui préservent les informations, réduire le temps de traitement de l'information, et améliorer l'efficacité énergétique. Les chercheurs ont comparé leurs projets en cours, commencé en 2016, à des blocs de construction qui se relieront pour rendre possible l'informatique quantique à grande échelle.

"Il y a des étapes à franchir avant de passer à la suivante, étape plus compliquée, ", a déclaré Peters. "Nos projets précédents se sont concentrés sur le développement de capacités fondamentales et nous permettent désormais de travailler dans le domaine entièrement quantique avec des états d'entrée entièrement quantiques."

Lukens a déclaré que les résultats de l'équipe montrent que "nous pouvons contrôler les états quantiques des qubits, changer leurs corrélations, et les modifier à l'aide de la technologie des télécommunications standard de manière applicable à l'avancement de l'informatique quantique. »

Une fois que les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques sont tous en place, il ajouta, "nous pouvons commencer à connecter des appareils quantiques pour construire l'internet quantique, qui est le suivant, étape passionnante."

Une grande partie de la façon dont l'information est traitée différemment d'un superordinateur à l'autre, reflétant les différents développeurs et priorités de workflow, les dispositifs quantiques fonctionneront en utilisant des fréquences différentes. Il sera donc difficile de les connecter afin qu'ils puissent travailler ensemble comme les ordinateurs d'aujourd'hui interagissent sur Internet.

Ce travail est une extension des démonstrations précédentes de l'équipe des capacités de traitement de l'information quantique sur la technologie des télécommunications standard. Par ailleurs, ils ont dit, tirer parti de l'infrastructure de réseau de fibre optique existante pour l'informatique quantique est pratique :des milliards de dollars ont été investis, et le traitement de l'information quantique représente une nouvelle utilisation.

Les chercheurs ont déclaré que cet aspect de "cercle complet" de leur travail est très satisfaisant. "Nous avons commencé nos recherches ensemble en voulant explorer l'utilisation de la technologie des télécommunications standard pour le traitement de l'information quantique, et nous avons découvert que nous pouvons revenir au domaine classique et l'améliorer, ", a déclaré Lukens.