Pour la première fois, les chercheurs ont démontré un moyen de cartographier et de mesurer la corrélation quantique photonique à grande échelle avec une sensibilité à un seul photon. La capacité de mesurer des milliers d'instances de corrélation quantique est essentielle pour rendre pratique l'informatique quantique basée sur les photons.

Dans Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, un groupe multi-institutionnel de chercheurs rapporte la nouvelle technique de mesure, ce qu'on appelle la corrélation sur l'image au niveau du photon cartographiée spatialement (COSPLI). Ils ont également développé un moyen de détecter les signaux de photons uniques et leurs corrélations dans des dizaines de millions d'images.

« COSPLI a le potentiel de devenir une solution polyvalente pour effectuer des mesures de particules quantiques dans des ordinateurs quantiques photoniques à grande échelle, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Xian-Min Jin, de l'Université Jiao Tong de Shanghai, Chine. « Cette approche unique serait également utile pour la simulation quantique, communication quantique, la détection quantique et l'imagerie biomédicale à photon unique."

Photons en interaction

La technologie de l'informatique quantique promet d'être nettement plus rapide que l'informatique traditionnelle, qui lit et écrit des données codées sous forme de bits qui sont soit un zéro, soit un. Au lieu de bits, l'informatique quantique utilise des qubits qui peuvent être dans deux états en même temps et vont interagir, ou corréler, avec l'un l'autre. Ces qubits, qui peut être un électron ou un photon, permettent d'effectuer de nombreux processus simultanément.

Un défi important dans le développement des ordinateurs quantiques est de trouver un moyen de mesurer et de manipuler les milliers de qubits nécessaires pour traiter des ensembles de données extrêmement volumineux. Pour les méthodes basées sur les photons, le nombre de qubits peut être augmenté sans utiliser plus de photons en augmentant le nombre de modes codés en degrés de liberté photoniques, tels que la polarisation, la fréquence, le temps et l'emplacement - mesurés pour chaque photon. Cela permet à chaque photon de présenter plus de deux modes, ou des États, simultanément. Les chercheurs ont précédemment utilisé cette approche pour fabriquer les plus grandes puces quantiques photoniques au monde, qui pourrait posséder un espace d'état équivalent à des milliers de qubits.

Cependant, L'intégration des nouvelles puces quantiques photoniques dans un ordinateur quantique nécessite de mesurer tous les modes et leurs corrélations photoniques au niveau d'un seul photon. Jusqu'à maintenant, la seule façon d'y parvenir serait d'utiliser un détecteur à photon unique pour chaque mode présenté par chaque photon. Cela nécessiterait des milliers de détecteurs à photon unique et coûterait environ 12 millions de dollars pour un seul ordinateur.

« Il est économiquement irréalisable et techniquement difficile d'aborder des milliers de modes simultanément avec des détecteurs à photon unique, " a déclaré Jin. " Ce problème représente un goulot d'étranglement décisif pour la réalisation d'un ordinateur quantique photonique à grande échelle. "

Sensibilité à un seul photon

Bien que les caméras CCD disponibles dans le commerce soient sensibles aux photons uniques et beaucoup moins chères que les détecteurs à photons uniques, les signaux des photons individuels sont souvent obscurcis par de grandes quantités de bruit. Après deux ans de travail, les chercheurs ont développé des méthodes pour supprimer le bruit afin que des photons uniques puissent être détectés avec chaque pixel d'une caméra CCD.

L'autre défi était de déterminer la polarisation d'un seul photon, la fréquence, heure et lieu, dont chacun nécessite une technique de mesure différente. Avec COSPLI, les corrélations photoniques des autres modes sont toutes mappées sur le mode spatial, qui permet de mesurer les corrélations de tous les modes avec la caméra CCD.

Pour démontrer COSPLI, les chercheurs ont utilisé leur approche pour mesurer les spectres conjoints de photons corrélés dans dix millions d'images. Les spectres reconstitués concordaient bien avec les calculs théoriques, démontrant ainsi la fiabilité de la méthode de mesure et de cartographie ainsi que la détection de photon unique. Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer la vitesse d'imagerie du système de dizaines à des millions d'images par seconde.

"Nous savons qu'il est très difficile de construire un ordinateur quantique pratique, et on ne sait pas encore quelle implémentation sera la meilleure, ", a déclaré Jin. "Ce travail renforce la confiance qu'un ordinateur quantique basé sur des photons peut être une voie pratique vers l'avant."