En tant que nouvelle personne nommée conjointement au laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis, Eden Figueroa s'habitue à naviguer entre ses rôles au sein de l'Initiative des sciences informatiques (CSI) et de la division Instrumentation du laboratoire, tout en supervisant le groupe de technologie de l'information quantique en tant que professeur titulaire à l'Université Stony Brook. Pour la plupart, travailler dans autant d'endroits à la fois peut être stressant et déconnectant. Cependant, pour Figueroa, qui a une fascination de longue date pour la mécanique quantique, naviguer dans des connexions compliquées sert à inspirer les réseaux quantiques actuellement configurés et testés par son équipe.

Hors du froid

Figueroa a commencé son voyage au Mexique en tant que physicien et expérimentateur, dont l'intérêt pour la mécanique quantique l'a conduit à l'Université de Constance (Allemagne) et à l'Institute for Quantum Information Science de l'Université de Calgary (Canada) pour étudier sous A.I. Lvovsky. Tout en poursuivant son doctorat, Figueroa a commencé à construire des mémoires quantiques, des cellules de verre remplies d'atomes qui sont stimulées par des lasers pour contrôler les états atomiques en leur sein ou comme il l'a dit, "faire parler les photons et raconter leurs secrets aux atomes."

"La construction de mémoires quantiques a fourni un aspect du contrôle de la nature aux niveaux les plus fondamentaux - les photons étant la lumière et les particules représentant la matière, " expliqua Figueroa. " C'était de l'ingénierie quantique au niveau le plus fondamental. "

L'un des aspects les plus caractéristiques du fonctionnement du matériel quantique est la nécessité de le garder froid, très froid; 2 K (-456°F) froid. Le froid maintient les particules aussi stationnaires que possible, permettant d'effectuer des mesures. Figueroa s'est rendu compte que travailler à ces températures très froides était une limitation. Lorsqu'il a demandé à son professeur si une mémoire quantique pouvait fonctionner à température ambiante, on lui a dit :"Je ne pense pas, mais prouvez-moi que j'ai tort. » Cette commande a donné l'impulsion à Figueroa qui a passé près de trois ans à travailler sur divers prototypes jusqu'à ce qu'il aide à concevoir une mémoire quantique utilisable à température ambiante, qui a depuis été étendu à intégré, des mémoires portables "de la taille d'une boîte à chaussures" qui jouent un rôle central dans la façon dont son équipe construit un réseau quantique.

"Rayez-moi vers le haut"

Comme définition de base, un réseau quantique transfère des bits de données quantiques, ou qubits, sur des distances en utilisant des fibres de télécommunications standard. Cependant, contrairement à l'échange habituel de 0 et 1 bits, ce transfert de données est basé sur les lois de la mécanique quantique. Au niveau subatomique (quantique), les particules peuvent se comporter de manière très différente de ce qu'elles font dans des états communément compris par la physique classique, voire exister à deux endroits à la fois. Cet "enchevêtrement quantique" où les particules partagent des propriétés bien qu'elles soient séparées par la distance est une partie élémentaire des expériences de réseau quantique en cours au Brookhaven Lab, Université Stony Brook, et (bientôt) l'Université de Yale.

"Les particules dans le monde intriqué de la mécanique quantique partagent des choses même si elles sont à des milliers de kilomètres les unes des autres, " dit Figueroa. " Si vous avez vu Star Trek, c'est comme quand Kirk appelle, 'Téléportez-moi.' Nous pouvons utiliser l'intrication quantique pour téléporter des informations d'une zone à une autre à une vitesse qui ne peut être égalée dans les systèmes classiques."

Pour tester cet effort, Figueroa et d'autres scientifiques du laboratoire ont d'abord utilisé les lignes de fibre de communication existantes, mesurant environ deux kilomètres (km), ou un peu plus d'un mile, entre les bâtiments du campus de Brookhaven Lab pour construire un petit réseau quantique qui partage l'enchevêtrement. Notamment, ce travail en cours rassemble toutes les connexions de recherche de Figueroa. CSI gère les aspects informatiques quantiques du réseau, ainsi que la conception des réseaux et des liens, tandis que le groupe Instrumentation de Brookhaven fournit les photons d'intrication et d'autres infrastructures et capacités expérimentales. Certains composants de détection du banc d'essai ont été développés dans le département de physique du laboratoire. Le laboratoire de Figueroa à l'université Stony Brook fournit la mémoire quantique qui traite l'information. Un « jumeau » direct de ce laboratoire est également en cours de construction dans le bâtiment d’instrumentation de Brookhaven. L'objectif est d'avoir un réseau quantique opérationnel d'ici quelques années.

Dans une autre expérience d'intrication quantique, Figueroa et son équipe vont "transmettre des photons dans l'espace libre, " essentiellement d'un télescope à l'autre dans sa ligne directe. Figueroa explique que ce travail en cours sera un élément clé dans l'évolution vers un réseau quantique plus étendu.

« Si nous pouvons démontrer que cela fonctionne sur deux expériences réparties sur 20 km, on peut mettre plus de connexions, " dit-il. " En ce moment, nous voulons construire un réseau entre Brookhaven, Ruisseau pierreux, puis à Yale et créer des liens d'un campus à l'autre jusqu'à ce que nous partagions activement des photons entre les trois campus. Peut-être dans cinq ans, nous pouvons faire évoluer le système que nous utilisons et mettre plus de connexions pour couvrir l'État de New York, Connecticut, toute la région du Nord-Est."

Figueroa a également crédité le nouveau centre Northeast Quantum Systems, connu sous le nom de NEQsys, pour faciliter la connexion à l'Université de Yale, notant que Brookhaven Lab a fourni un lien régional pour les chercheurs ayant des intérêts communs dans la science de l'information quantique (QIS) qui autrement n'existeraient peut-être pas.

"Le lien entre Brookhaven et Stony Brook est en quelque sorte un mariage naturel, " expliqua-t-il. " Cependant, NEQsys fournit une belle connexion à la recherche à, par exemple, Yale et le MIT avec lesquels je n'aurais pas nécessairement interagi. Maintenant, avec Yale, nous sommes connectés et commençons une expansion de nos recherches. Cela ne serait pas possible sans NEQsys."

Pourquoi maintenant? Pourquoi pas?

Figueroa a reconnu un heureux hasard dans le calendrier de ces efforts. Il a constaté une augmentation de l'intérêt pour le quantum de la part d'entités telles que le DOE et a noté que le leadership du Brookhaven Lab et de l'Université Stony Brook offrait à la fois les installations et les opportunités pour lancer les expériences fondamentales nécessaires pour amplifier la recherche QIS.

« Nous avons relevé le défi :d'abord, construire la mémoire quantique à température ambiante. Maintenant, nous pouvons le construire, " expliqua-t-il. " Maintenant, nous avons des laboratoires fonctionnant à différents endroits pour lancer un réseau quantique. Ces idées ne progressent que lorsque vous êtes prêt à consacrer des ressources à la résolution du problème. Les approches ont vraiment convergé à Brookhaven. Kerstin [Kleese van Dam, directeur du CSI], Dimitri [Katramatos, scientifique du CSI], Gabriella [Carini, Instrumentation, Chef de division adjoint], et Andreï [Nomerotski, Physicien], tous ont été d'un grand soutien, obtenir ce dont nous avons besoin pour créer cette infrastructure quantique."

Principalement, Figueroa est enthousiasmé et impressionné par le niveau d'engagement qu'il a constaté de la part de toutes les personnes impliquées au fur et à mesure que les expériences se développent. Les étapes techniques et la mise à l'échelle nécessitent la puissance cérébrale des principaux scientifiques, ingénieurs en informatique, étudiants diplômés, et plus. Figueroa a ajouté que l'attention croissante portée au QIS suscite également un intérêt accru chez les étudiants.

"Ils savent que dans la recherche quantique, il se passe des choses qui n'ont jamais été faites, et ils peuvent voir le matériel, Infrastructure, et des subventions pour la recherche. C'est très puissant, et les conditions sont bonnes. Pour les étudiants, c'est magique, " il a dit.

La formation de la prochaine génération est un autre ingrédient du plan visant à amplifier le QIS, surtout à New York. Selon Figueroa, L'Université Stony Brook commencera à offrir des cours à l'automne 2019 vers un programme de maîtrise mettant l'accent sur QIS. Les cours offriront une immersion dans le quantique pour les ingénieurs ou les scientifiques qui, il l'espère, alimenteront les startups de la technologie quantique. En incluant Brookhaven Lab comme partenaire ressource, Figueroa envisage de "renforcer un programme quantique centré sur Long Island".

Figueroa a facilement reconnu qu'il existe une course compétitive à part entière pour être le premier au monde à héberger un réseau quantique évolutif qui partage l'enchevêtrement. Déjà, La Chine a près de 10 ans d'avance sur ses investissements quantiques avec l'Europe pas trop loin derrière. Toujours, avec de nombreux défis à relever pour débloquer un réseau quantique fonctionnel, Figueroa déborde d'optimisme lorsqu'il scrute le paysage de la recherche.

« Pourquoi ne pas être ceux qui le font ? » Il a demandé. "Nous pouvons être en tête dans ce domaine. C'est le bon moment pour le faire. Si nous y parvenons, ce serait une histoire de plomb dans Le New York Times . Cela changerait la donne pour la communauté. Je suis pompé à ce sujet. Nous pouvons faire quelque chose de beau."