En explorant des circuits intégrés complexes, les états photoniques peuvent être générés et traités à plus grande échelle. Crédit :Dr Stefano Paesani, Université de Bristol
Des scientifiques de l'Université de Bristol et de l'Université technique du Danemark ont trouvé une nouvelle façon prometteuse de construire la prochaine génération de simulateurs quantiques combinant lumière et micropuces de silicium.
Dans la feuille de route pour développer des machines quantiques capables de rivaliser et de surpasser les supercalculateurs classiques pour résoudre des problèmes spécifiques, la communauté scientifique est confrontée à deux grands défis technologiques.
Le premier est la capacité de construire de grands circuits quantiques capables de traiter l'information à grande échelle, et le second est la capacité de créer un grand nombre de particules quantiques uniques qui peuvent coder et propager l'information quantique à travers de tels circuits.
Ces deux exigences doivent être satisfaites afin de développer une technologie quantique avancée capable de surpasser les machines classiques.
Une plate-forme très prometteuse pour relever ces défis est la photonique quantique sur silicium. Dans cette technologie, les informations portées par les photons, particule unique de lumières, est généré et traité dans des micro-puces de silicium.
Ces dispositifs guident et manipulent la lumière à l'échelle nanométrique à l'aide de guides d'ondes intégrés, l'analogue des fibres optiques à l'échelle nanométrique.
Surtout, la fabrication de puces photoniques nécessite les mêmes techniques que celles utilisées pour la fabrication de micro-puces électroniques dans l'industrie des semi-conducteurs, rendant possible la fabrication de circuits quantiques à grande échelle.
Dans les laboratoires Quantum Engineering Technology (QET) de l'Université de Bristol, l'équipe a récemment démontré des puces photoniques en silicium embarquant des interféromètres quantiques composés de près d'un millier de composants optiques, ordres de grandeur supérieurs à ce qui était possible il y a quelques années à peine.
Cependant, la grande question qui restait sans réponse était de savoir si ces appareils étaient également capables de produire un nombre de photons suffisamment grand pour effectuer des tâches de calcul quantique utiles. La recherche dirigée par Bristol, publié aujourd'hui dans la revue Physique de la nature , démontre que cette question a une réponse positive.
En explorant les développements technologiques récents de la photonique quantique sur silicium, l'équipe a démontré que même des circuits photoniques au silicium à petite échelle peuvent générer et traiter un nombre de photons sans précédent en photonique intégrée.
En réalité, en raison d'imperfections dans le circuit telles que les pertes de photons, les démonstrations précédentes en photonique intégrée ont été principalement limitées à des expériences avec seulement deux photons générés et traités sur puce, et seulement l'année dernière, des expériences à quatre photons ont été rapportées en utilisant des circuits complexes.
Des chercheurs de QETLabs travaillent sur des expériences de photonique quantique sur silicium. De gauche à droite :Professeur Anthony Laing, Dr Stefano Paesani et Dr Raffaele Santagati. Crédit :Université de Bristol
Dans le travail, en améliorant la conception de chaque composant intégré, l'équipe montre que même des circuits simples peuvent produire des expériences avec jusqu'à huit photons, double du record précédent en photonique intégrée. De plus, leur analyse montre qu'en augmentant la complexité du circuit, qui est une forte capacité de la plate-forme silicium, des expériences avec plus de 20 photons sont possibles, un régime où les machines quantiques photoniques devraient surpasser les meilleurs supercalculateurs classiques.
L'étude examine également les applications possibles de ces processeurs quantiques photoniques à court terme entrant dans un régime d'avantage quantique.
En particulier, en reconfigurant le type de non-linéarité optique dans la puce, ils ont démontré que les puces de silicium peuvent être utilisées pour effectuer une variété de tâches de simulation quantique, connu sous le nom de problèmes d'échantillonnage de bosons.
Pour certains de ces protocoles, par exemple, l'échantillonnage du boson gaussien—cette nouvelle démonstration est une première mondiale.
L'équipe a également démontré que, en utilisant de tels protocoles, les dispositifs quantiques en silicium seront capables de résoudre des problèmes industriellement pertinents. En particulier, ils montrent comment le problème chimique de trouver les transitions vibrationnelles dans les molécules subissant une transformation électronique peut être simulé sur notre type d'appareils utilisant l'échantillonnage de boson gaussien.
L'auteur principal, le Dr Stefano Paesani du Centre pour les nanosciences et l'information quantique de l'Université de Bristol, a déclaré :« Nos résultats montrent que les simulateurs quantiques photoniques surpassant les superordinateurs classiques sont une perspective réaliste à court terme pour la plate-forme de photonique quantique sur silicium.
« Le développement de telles machines quantiques peut avoir des impacts potentiellement révolutionnaires sur des domaines industriels pertinents tels que la chimie, conception moléculaire, intelligence artificielle, et l'analyse des mégadonnées.
"Les applications incluent la conception de produits pharmaceutiques améliorés et l'ingénierie d'états moléculaires capables de générer de l'énergie plus efficacement."
Le co-auteur, le Dr Raffaele Santagati, a ajouté :« Les résultats obtenus nous permettent de croire que le jalon des machines quantiques plus rapides que n'importe quel ordinateur classique actuel est à la portée de la plate-forme photonique quantique intégrée.
« S'il est vrai que d'autres technologies ont également la capacité d'atteindre un tel régime, par exemple des ions piégés ou des systèmes supraconducteurs, l'approche photonique a l'avantage unique d'avoir les applications à court terme que nous avons étudiées. Le chemin photonique, bien que périlleux, est réglé, et vaut vraiment la peine d'être poursuivi."
Professeur Anthony Laing, Professeur agrégé de physique à Bristol, supervisé le projet. Il a déclaré : « En quadruplant le nombre de photons générés et traités dans la même puce, l'équipe a préparé le terrain pour étendre les simulateurs quantiques à des dizaines de photons où les comparaisons de performances avec le matériel informatique standard d'aujourd'hui deviennent significatives."
