Les protocoles d'information quantique sont basés sur une variété de modes d'intrication tels que Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) et d'autres états du cluster. Pour une préparation à la demande, ces états peuvent être réalisés avec des sources lumineuses comprimées en optique, mais de telles expériences manquent de polyvalence car elles nécessitent une variété de circuits optiques pour réaliser individuellement divers états d'intrication. Dans une étude récente, Shuntaro Takeda et ses collègues des départements interdisciplinaires de physique appliquée et d'ingénierie au Japon ont résolu cette lacune en développant un synthétiseur d'intrication à la demande. En utilisant le montage expérimental, les physiciens ont généré par programmation des états intriqués à partir d'une seule source de lumière comprimée.

Dans le travail, ils ont utilisé un circuit en boucle contrôlé dynamiquement à des échelles de temps de la nanoseconde pour traiter les impulsions optiques dans le domaine temporel. Les scientifiques ont généré et vérifié cinq états intriqués à petite échelle différents et un grand cluster contenant plus de 1000 modes dans une seule configuration sans changer le circuit optique. Le circuit développé par Takeda et al. pourrait stocker et libérer une partie des états intriqués générés pour fonctionner comme une mémoire quantique. Le rapport expérimental publié le Avancées scientifiques , ouvrira une nouvelle façon de construire des synthétiseurs d'intrication généraux à la demande à l'aide d'un processeur quantique évolutif.

L'intrication est essentielle pour de nombreux protocoles d'information quantique dans les régions qubit et variables continues (CV), où ils exécutent une variété d'applications. Par exemple, l'état à deux modes d'Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) est le plus couramment utilisé, état d'enchevêtrement maximal en tant que bloc de construction pour la communication quantique à deux parties et pour les portes logiques quantiques basées sur la téléportation quantique. La version généralisée de cet état est un état de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) à mode n central pour la construction d'un réseau quantique, où l'état quantique GHZ peut être partagé entre n participants. Par exemple, les n participants peuvent communiquer entre eux pour le partage de secrets quantiques. Pour le calcul quantique en revanche, un type spécial d'intrication connu sous le nom d'états de cluster a attiré beaucoup d'attention en tant que ressource universelle pour permettre le calcul quantique à sens unique.

La méthode la plus pratique et la mieux établie actuellement utilisée pour préparer de manière déterministe des états intriqués photoniques consiste à mélanger de la lumière comprimée à l'aide de réseaux de séparateurs de faisceaux pour générer un enchevêtrement dans le régime de variable continue (CV). Des physiciens ont récemment démontré des états intriqués à grande échelle en comprimant des sources lumineuses multiplexées dans le domaine temporel ou fréquentiel. La méthode n'était pas polyvalente car ils devaient concevoir une variété de configurations optiques pour produire l'état d'enchevêtrement spécifique. Des physiciens avaient précédemment rapporté la caractérisation programmable de plusieurs types d'intrication dans des états quantiques multimodes en utilisant des mesures de post-traitement ou en changeant la base de mesure. La synthèse directe d'une variété d'états d'intrication dans un manière déterministe dans un cadre unique reste une tâche difficile à l'heure actuelle, donc.

Dans le travail present, Takeda et al. a proposé un synthétiseur photonique à la demande pour produire par programmation un ensemble important d'états intriqués pour résoudre le défi existant en incluant -

1. Un état EPR
2. Un état GHZ en mode n, et
3. Un état d'amas linéaire ou en étoile de mode n pour n≥2, en une seule configuration.

Ils ont basé le synthétiseur sur une dynamique, circuit photonique contrôlable qui traite les impulsions optiques dans le domaine temporel. En utilisant le circuit, les scientifiques ont vérifié la génération programmable d'une variété d'états intriqués. La configuration pourrait également stocker et libérer une partie de l'état intriqué généré pour fonctionner comme une mémoire quantique. La nouvelle méthode offre une voie prometteuse vers la traitabilité de l'information quantique photonique, qui inclut l'évolutivité et la programmabilité.

Lors de la formation du concept d'un synthétiseur d'intrication, les scientifiques ont utilisé un seul presse-agrumes pour produire séquentiellement des impulsions optiques comprimées dans l'étude. Ils ont injecté les impulsions dans un circuit en boucle dont le temps aller-retour (τ) était équivalent à l'intervalle de temps entre les impulsions. Cette boucle comprenait un séparateur de faisceau à transmissivité variable T (t) et un déphaseur à déphasage variable (t) – où t désigne le temps. Après avoir transmis à travers la boucle, les scientifiques ont dirigé les impulsions vers un détecteur homodyne en utilisant une base de mesure accordable. Le circuit pourrait synthétiser une variété d'états intriqués à partir des impulsions comprimées pour une analyse ultérieure.

Pour démontrer la génération d'intrication programmable, les scientifiques ont d'abord programmé le synthétiseur pour générer cinq états intriqués différents à petite échelle. Ceux-ci comprenaient un (1) état EPR, (2) un GHZ trimode, (3) un état de cluster à deux modes, et (4) une paire d'états de cluster à trois modes. Pour vérifier l'état d'enchevêtrement, les scientifiques ont appliqué des fonctions de mode temporel au signal homodyne (fonction d'onde convertie en un signal électrique) et extrait la quadrature des impulsions optiques à large bande pour évaluer la corrélation entre les différentes impulsions.

Ils ont quantifié la force de la corrélation en utilisant des paramètres d'inséparabilité qui étaient directement liés au niveau de compression efficace. Les scientifiques ont pu obtenir des résultats où les valeurs satisfaisaient aux critères d'inséparabilité dérivés de l'étude, pour démontrer la génération programmable de cinq états intriqués différents. Ils ont expliqué les valeurs en utilisant la perte accumulée pendant la génération de lumière comprimée, synthèse intriquée dans la boucle et lors des mesures.

Néanmoins, la configuration expérimentale n'a pas été en mesure de synthétiser plus de GHZ à trois modes et d'états de cluster en raison des limitations de conception du modulateur électro-optique (EOM) qui pilotait les circuits. Par conséquent, les scientifiques visent à développer un circuit de pilotage plus sophistiqué ou à construire plusieurs EOM en cascade pour augmenter le nombre de valeurs de transmittivité sélectionnables et générer ensuite une variété d'états de GHZ et de cluster.

Le synthétiseur d'intrication pourrait également produire des états intriqués à grande échelle pour une évolutivité élevée; montré avec un état de cluster unidimensionnel. Le circuit développé par les scientifiques était équivalent à la génération d'états de cluster proposée précédemment et démontrée par Yokoyama et al par la suite. Dans le travail present, les scientifiques ont généré un état de cluster unidimensionnel pour plus de 1000 modes d'intrication. En raison de limitations techniques, les scientifiques n'ont pu mesurer que 1008 modes dans l'expérience. Cependant, en principe, cette méthode n'a pas de limite théorique pour le nombre de modes intriqués pouvant être générés.

Les scientifiques n'ont pas pu comparer directement la qualité de ces états de cluster par rapport au schéma précédent de Yokoyama et al. car le schéma actuel basé sur la boucle était sensible aux pertes dues à des composants optiques supplémentaires dans la configuration expérimentale. La perte basée sur les composants dans la boucle comprenait un diviseur de faisceau variable et un déphaseur, ce qui a conduit à une accumulation de pertes lorsque les impulsions optiques ont circulé à plusieurs reprises dans l'installation.

Takeda et al. également formé une mémoire quantique en confinant une impulsion optique dans le circuit de boucle programmable. Bien que la possibilité d'ajouter un délai réglable aux états CV non classiques puisse jouer un rôle clé pour la synchronisation temporelle dans une variété de protocoles quantiques, Jusqu'à présent, les physiciens n'avaient mené que quelques expériences de mémoire quantique pour des états à variable continue (CV) intriqués.

Alors qu'une mémoire quantique à boucle est une mémoire simple et polyvalente qui ne limite pas la longueur d'onde ou l'état quantique de la lumière, il n'a été montré auparavant que pour les photons uniques. Takeda et al. a démontré la fonctionnalité dans le présent travail en générant un état EPR dans la boucle et en stockant une partie de l'état EPR pour n boucles pour finalement le libérer. Les scientifiques pourraient augmenter la durée de vie de la mémoire quantique dans l'installation en augmentant la stabilité mécanique de la boucle ou du système de rétroaction pour stabiliser l'état quantique. Ils ont pu stocker n'importe quel état quantique CV dans la mémoire à boucle et inclure également des états non gaussiens en changeant le presseur en d'autres sources de lumière quantique.

De cette façon, Takeda et al. états intriqués à petite et grande échelle générés et vérifiés de manière programmable et contrôlé dynamiquement la transmissivité du séparateur de faisceau, déphasage et base de mesure d'un circuit optique à boucle à des échelles de temps de la nanoseconde. Ils ont démontré la capacité de mémoire quantique du circuit en stockant une partie d'un état EPR dans la boucle. Le système est programmable et hautement évolutif, offrant un outil unique et polyvalent pour les futures technologies quantiques photoniques.

Takeda et al. envisagez d'intégrer ce circuit en boucle dans une boucle plus grande pour réaliser un réseau de séparateurs de faisceaux arbitraires imbriqués qui combine les impulsions comprimées d'entrée pour synthétiser des états de cluster arbitraires. Ils prévoient également des extensions de ce circuit à un ordinateur quantique universel en incluant un opérateur de déplacement programmable basé sur le signal du détecteur homodyne et une source lumineuse non gaussienne. Le nouveau réseau constituera une base cruciale pour atteindre ces objectifs et stimuler des recherches théoriques et expérimentales supplémentaires dans le traitement de l'information quantique photonique.

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