Une équipe du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a mené une série d'expériences pour mieux comprendre la mécanique quantique et poursuivre les avancées dans les réseaux quantiques et l'informatique quantique, ce qui pourrait conduire à des applications pratiques dans le domaine de la cybersécurité et dans d'autres domaines.

Les chercheurs quantiques de l'ORNL Joseph Lukens, Pavel Lougovski, Brian Williams, et Nicholas Peters, ainsi que des collaborateurs de l'Université Purdue et de l'Université technologique de Pereira en Colombie, ont résumé les résultats de plusieurs de leurs récents articles universitaires dans un numéro spécial de l'Optical Society's Actualités Optique &Photonique , qui a présenté certains des résultats les plus significatifs de la recherche liée à l'optique en 2019. Leur entrée était l'une des 30 sélectionnées pour publication sur un pool de 91.

Les "bits" informatiques conventionnels ont une valeur de 0 ou 1, mais des bits quantiques, appelé "qubits, " peut exister dans une superposition d'états quantiques étiquetés 0 et 1. Cette capacité rend les systèmes quantiques prometteurs pour la transmission, En traitement, stockage, et crypter de grandes quantités d'informations à des vitesses sans précédent.

Pour étudier les photons, des particules de lumière uniques pouvant agir comme des qubits, les chercheurs ont utilisé des sources lumineuses appelées peignes de fréquence optique quantique qui contiennent de nombreuses longueurs d'onde définies avec précision. Parce qu'ils voyagent à la vitesse de la lumière et n'interagissent pas avec leur environnement, les photons sont une plate-forme naturelle pour transporter des informations quantiques sur de longues distances.

Les interactions entre photons sont notoirement difficiles à induire et à contrôler, mais ces capacités sont nécessaires pour des ordinateurs quantiques et des portes quantiques efficaces, qui sont des circuits quantiques qui fonctionnent sur des qubits. Les interactions photoniques inexistantes ou imprévisibles rendent les portes quantiques à deux photons beaucoup plus difficiles à développer que les portes standard à un photon, mais les chercheurs ont atteint plusieurs étapes importantes dans des études récentes qui ont abordé ces défis.

Par exemple, ils ont apporté des ajustements aux équipements de télécommunications existants utilisés dans la recherche en optique pour les optimiser pour la photonique quantique. Leurs résultats ont révélé de nouvelles façons d'utiliser ces ressources à la fois pour la communication traditionnelle et quantique.

« Utiliser cet équipement pour manipuler des états quantiques est le fondement technologique de toutes ces expériences, mais nous ne nous attendions pas à pouvoir aller dans l'autre sens et améliorer la communication classique en travaillant sur la communication quantique, " a déclaré Lukens. " Ces découvertes intéressantes et imprévues sont apparues au fur et à mesure que nous approfondissons ce domaine de recherche. "

Un tel outil, un diviseur de faisceau de fréquence, divise un seul faisceau lumineux en deux fréquences, ou couleurs, de la lumière.

"Imaginez que vous ayez un faisceau de lumière descendant une fibre optique qui a une fréquence particulière, dire, rouge, " dit Lukens. " Alors, après avoir traversé le diviseur de faisceau de fréquence, le photon partira comme deux fréquences, donc ce sera à la fois rouge et bleu."

Les membres de cette équipe ont été les premiers chercheurs à concevoir avec succès un séparateur de faisceau à fréquence quantique avec une technologie de communication par ondes lumineuses standard. Cet appareil capte simultanément des photons rouges et bleus, produit alors de l'énergie dans la fréquence rouge ou bleue. En utilisant cette méthode pour changer délibérément les fréquences des photons, l'équipe a transformé les particules tenaces en interactions bénéfiques basées sur l'interférence quantique, le phénomène des photons interférant avec leurs propres trajectoires.

« Il s'est avéré que les appareils du commerce peuvent offrir un contrôle impressionnant au niveau d'un seul photon, dont les gens ne savaient pas que c'était possible, ", a déclaré Lougovski.

En outre, les chercheurs ont réalisé la première démonstration d'un tritter de fréquence, qui divise un faisceau de lumière en trois fréquences différentes au lieu de deux. Leurs résultats ont indiqué que plusieurs opérations de traitement de l'information quantique peuvent s'exécuter en même temps sans introduire d'erreurs ni endommager les données.

Une autre réalisation clé a été la conception et la démonstration par l'équipe d'une porte NON contrôlée par coïncidence, qui permet à un photon de contrôler un décalage de fréquence dans un autre photon. Cet appareil complétait un ensemble de portes quantiques universelles, ce qui signifie que tout algorithme quantique peut être exprimé sous la forme d'une séquence à l'intérieur de ces portes.

"Les applications d'informatique quantique nécessitent des niveaux de contrôle bien plus impressionnants que n'importe quelle sorte d'informatique classique, ", a déclaré Lougovski.

L'équipe a également codé des informations quantiques dans plusieurs valeurs indépendantes appelées degrés de liberté au sein d'un seul photon, ce qui leur a permis d'observer des effets de type intrication quantique sans avoir besoin de deux particules distinctes. L'intrication implique généralement deux particules liées dans lesquelles les modifications apportées à l'état d'une particule s'appliquent également à l'autre.

Finalement, les chercheurs ont réalisé des simulations quantiques de problèmes physiques du monde réel. En collaboration avec des scientifiques de l'Air Force Research Laboratory, ils se développent maintenant minuscules, puces de silicium spécialisées similaires à celles courantes en microélectronique à la recherche de performances photoniques encore meilleures.

"En théorie, nous pouvons obtenir toutes ces opérations sur une seule puce photonique, et nous voyons beaucoup de potentiel pour faire des expériences quantiques similaires sur cette nouvelle plate-forme, " a déclaré Lukens. " C'est la prochaine étape pour vraiment faire avancer cette technologie. "

Les futurs ordinateurs quantiques permettront aux scientifiques de simuler des problèmes scientifiques incroyablement complexes qu'il serait impossible d'étudier sur les systèmes actuels, même des supercalculateurs. En attendant, les découvertes de l'équipe pourraient aider les chercheurs à intégrer des systèmes photoniques dans les ressources de calcul haute performance actuelles.

"Nous avons une équipe très diversifiée et talentueuse, " Lougovski a déclaré. "La chose la plus importante est que nous obtenons des résultats."