Le traitement de l'information quantique promet d'être beaucoup plus rapide et sécurisé que ce que les supercalculateurs d'aujourd'hui peuvent réaliser, mais n'existe pas encore parce que ses blocs de construction, qubits, sont notoirement instables.

Les chercheurs de l'Université Purdue sont parmi les premiers à construire une porte - ce qui pourrait être une version quantique d'un transistor, utilisé dans les ordinateurs d'aujourd'hui pour le traitement des informations—avec des qudits. Alors que les qubits ne peuvent exister que dans des superpositions d'états 0 et 1, les qudits existent dans plusieurs états, tels que 0 et 1 et 2. Plus d'états signifient que plus de données peuvent être encodées et traitées.

La porte serait non seulement intrinsèquement plus efficace que les portes qubit, mais aussi plus stable car les chercheurs ont emballé les qudits en photons, particules de lumière qui ne sont pas facilement perturbées par leur environnement. Les découvertes des chercheurs apparaissent dans npj Quantum Information.

La porte crée également l'un des plus grands états intriqués de particules quantiques à ce jour - dans ce cas, photons. L'intrication est un phénomène quantique qui permet aux mesures sur une particule d'affecter automatiquement les mesures sur une autre particule, apportant la capacité de rendre la communication entre les parties incassable ou de téléporter des informations quantiques d'un point à un autre, par exemple.

Plus il y a d'enchevêtrement dans ce qu'on appelle l'espace de Hilbert - le domaine où le traitement de l'information quantique peut avoir lieu - mieux c'est.

Les approches photoniques précédentes étaient capables d'atteindre 18 qubits codés dans six photons intriqués dans l'espace de Hilbert. Les chercheurs de Purdue ont maximisé l'intrication avec une porte en utilisant quatre qudits, l'équivalent de 20 qubits, codés en seulement deux photons.

En communication quantique, moins est plus. "Les photons sont chers au sens quantique parce qu'ils sont difficiles à générer et à contrôler, il est donc idéal de regrouper autant d'informations que possible dans chaque photon, " a déclaré Poolad Imany, chercheur postdoctoral à l'École de génie électrique et informatique de Purdue.

L'équipe a obtenu plus d'intrication avec moins de photons en codant un qudit dans le domaine temporel et l'autre dans le domaine fréquentiel de chacun des deux photons. Ils ont construit une porte en utilisant les deux qudits encodés dans chaque photon, pour un total de quatre qudits en 32 dimensions, ou possibilités, du temps et de la fréquence. Plus il y a de dimensions, plus l'enchevêtrement.

En partant de deux photons intriqués dans le domaine fréquentiel, puis en actionnant la grille pour intricer les domaines temporel et fréquentiel de chaque photon, on génère quatre qudits entièrement intriqués, qui occupent un espace de Hilbert de 1, 048, 576 dimensions, ou 32 à la puissance quatrième.

Typiquement, les portes construites sur des plates-formes photoniques pour manipuler les informations quantiques codées dans des photons séparés ne fonctionnent qu'une partie du temps car les photons n'interagissent naturellement pas très bien les uns avec les autres, ce qui rend extrêmement difficile la manipulation de l'état d'un photon en fonction de l'état d'un autre. En codant l'information quantique dans les domaines temporel et fréquentiel des photons, Les chercheurs de Purdue ont rendu le fonctionnement de la porte quantique déterministe plutôt que probabiliste.

L'équipe a mis en œuvre la porte avec un ensemble d'équipements standard du commerce utilisés quotidiennement dans l'industrie des communications optiques.

"Cette porte nous permet de manipuler l'information de manière prévisible et déterministe, ce qui signifie qu'il pourrait effectuer les opérations nécessaires à certaines tâches de traitement de l'information quantique, " a déclaré Andrew Weiner, Professeur émérite de la famille Scifres de Purdue en génie électrique et informatique, dont le laboratoire est spécialisé dans l'optique ultrarapide.

Prochain, l'équipe souhaite utiliser la porte dans des tâches de communication quantique telles que la téléportation quantique de grande dimension ainsi que pour exécuter des algorithmes quantiques dans des applications telles que l'apprentissage automatique quantique ou la simulation de molécules.