Au cours des deux dernières décennies, des progrès considérables ont été réalisés dans le domaine de la science de l'information quantique. Les scientifiques capitalisent sur la nature étrange de la mécanique quantique pour résoudre des problèmes difficiles en informatique et en communication, ainsi que dans la détection et la mesure de systèmes délicats. Une piste de recherche dans ce domaine est le traitement de l'information quantique optique, qui utilise des photons, de minuscules particules de lumière qui ont des propriétés quantiques uniques.

Une ressource clé pour faire avancer la recherche en science de l'information quantique serait une source qui pourrait produire de manière efficace et fiable des photons uniques. Cependant, parce que les processus quantiques sont intrinsèquement aléatoires, créer une source de photons qui produit des photons uniques à la demande présente un défi à chaque étape.

Aujourd'hui, le professeur de physique de l'Université de l'Illinois, Paul Kwiat, et son ancien chercheur postdoctoral Fumihiro Kaneda (maintenant professeur adjoint au Frontier Research Institute for Interdisciplinaire Sciences de l'Université de Tohoku) ont construit ce que Kwiat considère comme « la source de photons unique la plus efficace au monde ». Et ils l'améliorent encore. Avec les mises à niveau prévues, l'appareil pourrait générer jusqu'à 30 photons avec une efficacité sans précédent. Des sources de ce calibre sont précisément ce dont ont besoin les applications d'information quantique optique.

Les résultats actuels des chercheurs ont été publiés en ligne dans Avancées scientifiques le 4 octobre, 2019.

Kwiat explique, "Un photon est la plus petite unité de lumière :l'introduction de ce concept par Einstein en 1905 a marqué l'aube de la mécanique quantique. Aujourd'hui, le photon est une ressource proposée dans le calcul et la communication quantiques - ses propriétés uniques en font un excellent candidat pour servir de bit quantique, ou qubit."

"Les photons se déplacent rapidement - parfaits pour la transmission à longue distance d'états quantiques - et présentent des phénomènes quantiques à la température ordinaire de notre vie quotidienne, " ajoute Kaneda. " D'autres candidats prometteurs pour les qubits, tels que les ions piégés et les courants supraconducteurs, ne sont stables que dans des conditions isolées et extrêmement froides. Le développement de sources de photons uniques à la demande est donc essentiel à la réalisation de réseaux quantiques et pourrait permettre de petits processeurs quantiques à température ambiante. »

À ce jour, l'efficacité de génération maximale des photons uniques annoncés utiles a été assez faible.

Pourquoi? Les chercheurs en optique quantique utilisent souvent un effet optique non linéaire appelé down-conversion paramétrique spontanée (SPDC) pour produire des paires de photons. Dans un cristal conçu, dans une impulsion laser contenant des milliards de photons, un seul photon de haute énergie peut être divisé en une paire de photons de basse énergie. Il est essentiel de produire une paire de photons :l'un des deux est détecté - ce qui le détruit - pour "annoncer" l'existence de l'autre, la sortie de photon unique de la source de photons.

Mais réaliser cette conversion quantique d'un photon en deux photons est contre toute attente.

" SPDC est un processus quantique, et il n'est pas certain que la source ne produira rien, ou une paire, ou deux paires, " note Kwiat. " La probabilité de produire exactement une paire de photons uniques est d'au plus 25 pour cent. "

Le professeur de physique Fumihiro Kaneda de l'Institut de recherche frontalière pour les sciences interdisciplinaires de l'Université de Tohoku. Kaneda est un ancien chercheur postdoctoral dans le groupe Kwiat au Département de physique, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Kwiat et Kaneda ont résolu ce problème de faible efficacité dans SPDC en utilisant une technique appelée multiplexage temporel. Pour chaque course, la source SPDC est pulsée 40 fois à intervalles égaux, production de 40" bacs horaires, " chacun contenant éventuellement une paire de photons (bien que ce soit rarement le cas). Chaque fois qu'une paire de photons est produite, un photon de la paire déclenche un interrupteur optique, qui achemine le photon frère dans un stockage temporaire dans une ligne à retard optique - une boucle fermée créée avec des miroirs. En sachant quand le photon est entré dans la boucle (quand le photon déclencheur a été détecté), les chercheurs savent exactement combien de cycles doivent contenir le photon avant de l'éteindre. De cette façon, peu importe laquelle des 40 impulsions a produit la paire, le photon stocké peut toujours être libéré en même temps. Une fois que les 40 impulsions se sont produites, tous les photons stockés sont libérés ensemble, comme s'ils venaient du même bac de temps.

Commentaires de Kwiat, " Cartographier un tas de possibilités différentes, tous les différents créneaux horaires, à un, cela améliore considérablement la probabilité que vous soyez capable de voir quelque chose."

Le fait de pulser la source 40 fois garantit essentiellement qu'au moins une paire de photons est produite pour chaque analyse.

Quoi de plus, la ligne à retard dans laquelle les photons sont stockés a un taux de perte de seulement 1,2 % par cycle; parce que la source est pulsée tellement de fois, avoir un faible taux de perte est crucial. Autrement, les photons produits dans les premières impulsions pourraient facilement être perdus.

Lorsque les photons sont enfin libérés, ils sont couplés dans une fibre optique monomode à haut rendement. C'est l'état dans lequel les photons doivent être pour être utiles dans les applications d'information quantique.

Kwiat fait remarquer, l'augmentation de l'efficacité de la génération de photons de cette manière est significative. Si, par exemple, une application appelée pour une source de 12 photons, on pouvait aligner six sources SPDC indépendantes et attendre un événement lorsque chacune d'entre elles produisait simultanément une seule paire.

« La meilleure expérience concurrente au monde à l'heure actuelle utilisant ces multiples états de photons a dû attendre environ deux minutes jusqu'à ce qu'elle obtienne un seul événement de ce type, " note Kwiat. " Ils battent à 80 millions de fois par seconde - ils essaient très, très souvent, mais ce n'est qu'environ une fois toutes les deux minutes qu'ils obtiennent cet événement où chaque source produit exactement une paire de photons.

"Nous pouvons calculer en fonction de notre taux la probabilité que nous soyons capables de produire quelque chose comme ça. Nous conduisons en fait un peu plus lentement, donc nous ne faisons la tentative que toutes les 2 microsecondes - ils l'essayent 160 fois plus souvent - mais parce que notre efficacité est tellement plus élevée en utilisant le multiplexage, nous serions capables de produire quelque chose comme 4, 000 événements de 12 photons par seconde."

En d'autres termes, Le taux de production de Kwiat et Kaneda est d'environ 500, 000 fois plus rapide.

Cependant, comme le note Kwiat, quelques problèmes restent à résoudre. Un problème découle de la nature aléatoire du processus de conversion descendante :il est possible qu'au lieu d'une seule paire de photons, plusieurs paires de photons pourraient être produites. Par ailleurs, parce que le processus de conversion descendante utilisé dans cette expérience était relativement inefficace, la source était « conduite » à un taux plus élevé, augmentant la probabilité que de telles paires multiples indésirables soient générées.

Même en tenant compte des événements multi-photons potentiels, le niveau d'efficacité de cette expérience était un record du monde.

Alors quelle est la suite, et comment l'équipe de Kwiat s'attaquera-t-elle à ces rares événements multiphotoniques indésirables ?

Colin Lualdi, un étudiant diplômé actuel travaillant dans le groupe de recherche de Kwiat, travaille sur la mise à niveau de la source avec des détecteurs à résolution de nombre de photons qui élimineraient les événements multiphotons avant que la ligne à retard ne soit déclenchée pour les stocker. Cette amélioration éliminerait complètement le problème des événements multiphotoniques.

Un autre domaine de recherche en cours pour l'équipe de Kwiat améliorera l'efficacité des parties individuelles de l'appareil à source unique de photons. Lualdi pense que les améliorations futures pousseront le taux de production de photons uniques bien au-delà de l'expérience actuelle.

"L'objectif final est de pouvoir préparer des états quantiques purs uniques que nous pouvons utiliser pour coder et traiter l'information d'une manière qui surpasse les approches classiques, " explique Lualdi. " C'est pourquoi il est si impératif que ces sources produisent des photons uniques. Si la source génère de façon inattendue deux photons au lieu d'un, alors nous n'avons pas le bloc de construction de base dont nous avons besoin."

Et afin de pouvoir effectuer tout type de traitement d'information quantique significatif avec ces qubits photoniques, une grande quantité est nécessaire.

Comme le dit Kwiat, "Le domaine va au-delà des expériences avec seulement un ou deux photons. Les gens essaient maintenant de faire des expériences sur 10 à 12 photons, et finalement nous aimerions avoir 50 à 100 photons."

Kwiat extrapole que les améliorations apportées à ce travail pourraient ouvrir la voie à la capacité de générer plus de 30 photons à haute efficacité. Les résultats de Kwiat et Kaneda nous ont rapprochés de la réalisation du traitement optique de l'information quantique.