Dans le monde de l'informatique quantique, l'interaction est tout.

Pour que les ordinateurs fonctionnent, les bits (les uns et les zéros qui composent l'information numérique) doivent pouvoir interagir et transmettre les données à traiter. Il en va de même pour les bits quantiques, ou qubits, qui composent les ordinateurs quantiques.

Mais cette interaction crée un problème - dans tout système dans lequel les qubits interagissent les uns avec les autres, ils ont aussi tendance à vouloir interagir avec leur environnement, résultant en des qubits qui perdent rapidement leur nature quantique.

Pour contourner le problème, École supérieure des arts et des sciences Ph.D. L'étudiant Ruffin Evans s'est tourné vers les particules principalement connues pour leur manque d'interactions :les photons.

Travaillant dans le laboratoire de Mikhail Lukin, le professeur de physique George Vasmer Leverett et codirecteur de la Quantum Science and Engineering Initiative, Evans est l'auteur principal d'une étude, décrit dans le journal Science , qui démontre une méthode d'ingénierie d'une interaction entre deux qubits à l'aide de photons.

"Ce n'est pas difficile de concevoir un système avec des interactions très fortes, mais des interactions fortes peuvent également provoquer du bruit et des interférences par interaction avec l'environnement, " a déclaré Evans. " Vous devez donc rendre l'environnement extrêmement propre. C'est un énorme défi. Nous fonctionnons dans un régime complètement différent. Nous utilisons des photons, qui ont des interactions faibles avec tout."

Evans et ses collègues ont commencé par créer deux qubits à l'aide de centres de lacunes de silicium - des impuretés à l'échelle atomique dans les diamants - et de les placer à l'intérieur d'un dispositif à l'échelle nanométrique connu sous le nom de cavité à cristal photonique, qui se comporte comme deux miroirs en vis-à-vis.

"La chance que la lumière interagisse avec un atome en un seul passage peut être très, très petit, mais une fois que la lumière rebondit autour de 10, 000 fois, cela arrivera presque certainement, " dit-il. " Ainsi, l'un des atomes peut émettre un photon, et il rebondira entre ces miroirs, et à un moment donné, l'autre atome absorbera le photon."

Le transfert de ce photon ne va pas à sens unique, bien que.

"Le photon est en fait échangé plusieurs fois entre les deux qubits, " a déclaré Evans. "C'est comme s'ils jouaient à la patate chaude; les qubits le transmettent d'avant en arrière."

Bien que la notion de création d'interaction entre les qubits ne soit pas nouvelle - les chercheurs ont réussi l'exploit dans un certain nombre d'autres systèmes - il y a deux facteurs qui rendent la nouvelle étude unique, dit Evans.

« La principale avancée est que nous fonctionnons avec des photons à des fréquences optiques, qui interagissent généralement très faiblement, " a-t-il dit. " C'est exactement pourquoi nous utilisons la fibre optique pour transmettre des données - vous pouvez envoyer de la lumière à travers une longue fibre sans pratiquement aucune atténuation. Notre plate-forme est donc particulièrement intéressante pour l'informatique quantique longue distance ou les réseaux quantiques."

Et bien que le système ne fonctionne qu'à des températures ultra-basses, Evans a déclaré qu'il est moins complexe que les approches qui nécessitent des systèmes élaborés de refroidissement laser et de pièges optiques pour maintenir les atomes en place. Parce que le système est construit à l'échelle nano, il ajouta, cela ouvre la possibilité que de nombreux appareils puissent être hébergés sur une seule puce.

"Même si ce type d'interaction a déjà été réalisé, il n'a pas été réalisé dans les systèmes à semi-conducteurs dans le domaine optique, ", a-t-il déclaré. "Nos appareils sont construits à l'aide de techniques de fabrication de semi-conducteurs. Il est facile d'imaginer utiliser ces outils pour évoluer vers de nombreux autres appareils sur une seule puce."

Evans envisage deux directions principales pour les recherches futures. La première consiste à développer des moyens d'exercer un contrôle sur les qubits et à construire une suite complète de portes quantiques qui leur permettraient de fonctionner comme un ordinateur quantique fonctionnel.

"L'autre sens est de dire que nous pouvons déjà construire ces appareils, et prendre des informations, le lire hors de l'appareil et le mettre dans une fibre optique, Alors réfléchissons à la façon dont nous étendons cela et construisons réellement un véritable réseau quantique sur des distances à l'échelle humaine, " a-t-il dit. " Nous envisageons des projets pour établir des liens entre les appareils à travers le laboratoire ou à travers le campus en utilisant les ingrédients que nous avons déjà, ou en utilisant des appareils de nouvelle génération pour réaliser un réseau quantique à petite échelle."

Finalement, Evans a dit, le travail pourrait avoir des impacts de grande envergure sur l'avenir de l'informatique.

« Tout, d'un Internet quantique aux centres de données quantiques, nécessitera des liens optiques entre les systèmes quantiques, et c'est la pièce du puzzle pour laquelle notre travail est très bien adapté, " il a dit.

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, Journal officiel de l'Université de Harvard. Pour des nouvelles universitaires supplémentaires, visitez Harvard.edu.