Les chercheurs du MIT ont conçu un moyen de générer, à température ambiante, plus de photons uniques pour transporter l'information quantique. La conception, ils disent, est prometteur pour le développement d'ordinateurs quantiques pratiques.

Les émetteurs quantiques génèrent des photons qui peuvent être détectés un par un. Les ordinateurs et dispositifs quantiques grand public pourraient potentiellement exploiter certaines propriétés de ces photons en tant que bits quantiques (« qubits ») pour exécuter des calculs. Alors que les ordinateurs classiques traitent et stockent les informations en bits de 0 ou de 1, les qubits peuvent être 0 et 1 simultanément. Cela signifie que les ordinateurs quantiques pourraient potentiellement résoudre des problèmes insolubles pour les ordinateurs classiques.

Un défi majeur, cependant, produit des photons uniques aux propriétés quantiques identiques, appelés photons « indiscernables ». Pour améliorer l'indiscernabilité, les émetteurs canalisent la lumière à travers une cavité optique où les photons rebondissent d'avant en arrière, un processus qui aide à faire correspondre leurs propriétés à la cavité. Généralement, les photons plus longs restent dans la cavité, plus ils correspondent.

Mais il y a aussi un compromis. Dans les grandes cavités, les émetteurs quantiques génèrent spontanément des photons, résultant en seulement une petite fraction de photons restant dans la cavité, rendant le processus inefficace. Les cavités plus petites extraient des pourcentages plus élevés de photons, mais les photons sont de moins bonne qualité, ou « distinguable ».

Dans un article publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , les chercheurs ont divisé une cavité en deux, chacun avec une tâche désignée. Une cavité plus petite gère l'extraction efficace des photons, tandis qu'une grande cavité attachée les stocke un peu plus longtemps pour augmenter leur indiscernabilité.

Par rapport à une seule cavité, la cavité couplée des chercheurs a généré des photons avec une indiscernabilité d'environ 95 %, contre 80 pour cent d'indiscernabilité, avec une efficacité environ trois fois supérieure.

"En bref, deux valent mieux qu'un, " dit le premier auteur Hyeongrak "Chuck" Choi, un étudiant diplômé du MIT Research Laboratory of Electronics (RLE). "Ce que nous avons trouvé, c'est que dans cette architecture, on peut séparer les rôles des deux cavités :La première cavité se concentre simplement sur la collecte de photons pour un rendement élevé, tandis que la seconde se concentre sur l'indiscernabilité dans un seul canal. Une cavité jouant les deux rôles ne peut pas répondre aux deux métriques, mais deux cavités réalisent les deux simultanément."

Rejoindre Choi sur le papier sont :Dirk Englund, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique, un chercheur en RLE, et directeur du Laboratoire de photonique quantique; Di Zhu, un étudiant diplômé en RLE; et Yosob Yoon, un étudiant diplômé du Département de chimie.

Les émetteurs quantiques relativement nouveaux, appelés « émetteurs de photons uniques, " sont créés par des défauts dans des matériaux autrement purs, comme les diamants, nanotubes de carbone dopés, ou des points quantiques. La lumière produite à partir de ces « atomes artificiels » est capturée par une minuscule cavité optique dans un cristal photonique, une nanostructure agissant comme un miroir. Quelques photons s'échappent, mais d'autres rebondissent autour de la cavité, qui oblige les photons à avoir les mêmes propriétés quantiques, principalement, diverses propriétés de fréquence. Quand ils sont mesurés pour correspondre, ils sortent de la cavité à travers un guide d'ondes.

Mais les émetteurs à photon unique subissent également des tonnes de bruit environnemental, telles que les vibrations du réseau ou la fluctuation de charge électrique, qui produisent une longueur d'onde ou une phase différente. Les photons avec des propriétés différentes ne peuvent pas être "interférés, " de telle sorte que leurs ondes se chevauchent, résultant en des schémas d'interférence. Ce modèle d'interférence est essentiellement ce qu'un ordinateur quantique observe et mesure pour effectuer des tâches de calcul.

L'indiscernabilité des photons est une mesure du potentiel d'interférence des photons. De cette façon, c'est une mesure précieuse pour simuler leur utilisation pour l'informatique quantique pratique. "Même avant l'interférence photonique, avec indiscernabilité, on peut spécifier la capacité des photons à interférer, " dit Choi. " Si nous connaissons cette capacité, nous pouvons calculer ce qui va se passer s'ils l'utilisent pour les technologies quantiques, comme les ordinateurs quantiques, communication, ou répétiteurs."

Dans le système des chercheurs, une petite cavité est attachée à un émetteur, qui dans leurs études était un défaut optique dans un diamant, appelé "centre de lacune de silicium" - un atome de silicium remplaçant deux atomes de carbone dans un réseau de diamant. La lumière produite par le défaut est collectée dans la première cavité. En raison de sa structure de focalisation de la lumière, les photons sont extraits à des taux très élevés. Puis, la nanocavité canalise les photons en une seconde, cavité plus grande. Là, les photons rebondissent pendant un certain temps. Lorsqu'ils atteignent une haute indiscernabilité, les photons sortent par un miroir partiel formé de trous reliant la cavité à un guide d'onde.

Surtout, Choi dit, aucune des cavités ne doit répondre à des exigences de conception rigoureuses en termes d'efficacité ou d'impossibilité de les distinguer des cavités traditionnelles, appelé « facteur de qualité (facteur Q) ». Plus le facteur Q est élevé, plus la perte d'énergie dans les cavités optiques est faible. Mais les cavités avec des facteurs Q élevés sont technologiquement difficiles à réaliser.

Dans l'étude, la cavité couplée des chercheurs a produit des photons de meilleure qualité que n'importe quel système à cavité unique possible. Même lorsque son facteur Q était d'environ un centième de la qualité du système à une seule cavité, ils pourraient atteindre la même indiscernabilité avec une efficacité trois fois plus élevée.

Les cavités peuvent être réglées pour optimiser l'efficacité par rapport à l'indiscernabilité – et pour prendre en compte les contraintes sur le facteur Q – en fonction de l'application. C'est important, Choi ajoute, car les émetteurs d'aujourd'hui qui fonctionnent à température ambiante peuvent varier considérablement en qualité et en propriétés.

Prochain, les chercheurs testent la limite théorique ultime des cavités multiples. Une cavité de plus permettrait toujours de gérer efficacement l'extraction initiale, mais serait alors lié à plusieurs cavités qui photons pour différentes tailles pour atteindre une certaine indiscernabilité optimale. Mais il y aura très probablement une limite, Choi dit :"Avec deux cavités, il n'y a qu'une connexion, donc ça peut être efficace. Mais s'il y a plusieurs cavités, les connexions multiples pourraient le rendre inefficace. Nous étudions maintenant la limite fondamentale des cavités à utiliser en informatique quantique."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.