Ordinateurs quantiques, qui utilisent des particules lumineuses (photons) au lieu d'électrons pour transmettre et traiter des données, la promesse d'une nouvelle ère de recherche dans laquelle le temps nécessaire à la mise au point de médicaments vitaux et de nouvelles technologies sera considérablement raccourci. Les photons sont des candidats prometteurs pour le calcul quantique car ils peuvent se propager sur de longues distances sans perdre d'informations, mais lorsqu'elles sont emmagasinées dans la matière, elles deviennent fragiles et sujettes à la décohérence. Maintenant chercheurs avec l'Initiative photonique au Centre de recherche scientifique avancée (ASRC) au Graduate Center, CUNY a développé un nouveau protocole pour stocker et libérer un seul photon dans un état propre intégré, un état quantique qui n'est pratiquement pas affecté par la perte et la décohérence. Le nouveau protocole, détaillé dans le dernier numéro de Optique , vise à faire progresser le développement des ordinateurs quantiques.

"L'objectif est de stocker et de libérer des photons uniques à la demande en assurant simultanément la stabilité des données, " a déclaré Andrea Alù, directeur fondateur de l'ASRC Photonics Initiative et professeur Einstein de physique au Graduate Center. "Notre travail démontre qu'il est possible de confiner et de préserver un seul photon dans une cavité ouverte et de le laisser y rester jusqu'à ce qu'il soit incité par un autre photon à continuer à se propager."

L'équipe de recherche a utilisé des techniques d'électrodynamique quantique pour développer sa théorie. Ils étudient un système composé d'un atome et d'une cavité, dont cette dernière est partiellement ouverte et permettrait donc normalement à la lumière piégée dans le système de s'échapper et de se perdre rapidement. L'équipe de recherche a montré, cependant, que, dans certaines conditions, des phénomènes d'interférence destructeurs peuvent empêcher les fuites et permettre à un seul photon d'être hébergé indéfiniment dans le système. Cet état propre intégré pourrait être très utile pour stocker des informations sans dégradation, mais la nature fermée de cet état protégé crée également une barrière aux stimuli extérieurs, de sorte que les photons uniques ne peuvent pas non plus être injectés dans le système. L'équipe de recherche a pu surmonter cette limitation en excitant le système en même temps avec deux photons ou plus.

"Nous avons proposé un système qui agit comme une boîte fermée lorsqu'il est excité par un seul photon, mais il s'ouvre très efficacement quand on le frappe avec deux photons ou plus, " a déclaré Michèle Cotrufo, premier auteur de l'article et stagiaire postdoctoral avec l'ASRC Photonics Initiative. "Notre théorie montre que deux photons peuvent être injectés efficacement dans le système fermé. Après cela, un photon sera perdu et l'autre sera piégé à la fermeture du système. Le photon stocké a le potentiel d'être conservé indéfiniment dans le système."

Dans les systèmes réalistes, des imperfections supplémentaires empêcheraient un confinement parfait des photons, mais les calculs de l'équipe de recherche ont montré que leur protocole surpasse les solutions précédentes basées sur une seule cavité.

Les auteurs ont également montré que le photon excité stocké peut ensuite être libéré à la demande en envoyant une deuxième impulsion de photons.

La découverte de l'équipe a le potentiel de résoudre les défis critiques de l'informatique quantique, y compris la génération à la demande d'états photoniques intriqués et de mémoires quantiques. Le groupe explore maintenant des pistes pour vérifier expérimentalement leurs travaux théoriques.