Les ingénieurs de Caltech ont montré que les atomes dans les cavités optiques – de minuscules boîtes pour la lumière – pourraient être à la base de la création d'un Internet quantique. Leurs travaux ont été publiés le 30 mars par la revue La nature .

Les réseaux quantiques connecteraient des ordinateurs quantiques via un système qui fonctionne également à un niveau quantique, plutôt que classique, niveau. En théorie, les ordinateurs quantiques pourront un jour exécuter certaines fonctions plus rapidement que les ordinateurs classiques en profitant des propriétés particulières de la mécanique quantique, y compris la superposition, qui permet aux bits quantiques de stocker des informations sous forme de 1 et de 0 simultanément.

Comme avec les ordinateurs classiques, les ingénieurs aimeraient pouvoir connecter plusieurs ordinateurs quantiques pour partager des données et travailler ensemble, créant ainsi un « Internet quantique ». Cela ouvrirait la porte à plusieurs applications, y compris la résolution de calculs trop volumineux pour être traités par un seul ordinateur quantique et l'établissement de communications sécurisées incassables à l'aide de la cryptographie quantique.

Pour que cela fonctionne, un réseau quantique doit pouvoir transmettre des informations entre deux points sans altérer les propriétés quantiques des informations transmises. Un modèle actuel fonctionne comme ceci :un seul atome ou ion agit comme un bit quantique (ou "qubit") stockant des informations via un si ses propriétés quantiques, comme la rotation. Pour lire cette information et la transmettre ailleurs, l'atome est excité par une impulsion lumineuse, l'amenant à émettre un photon dont le spin est intriqué avec le spin de l'atome. Le photon peut alors transmettre les informations intriquées avec l'atome sur une longue distance via un câble à fibre optique.

C'est plus dur qu'il n'y paraît, toutefois. Trouver des atomes que vous pouvez contrôler et mesurer, et qui ne sont pas non plus trop sensibles aux fluctuations du champ magnétique ou électrique qui provoquent des erreurs, ou décohérence, met au defie.

"Les émetteurs à semi-conducteurs qui interagissent bien avec la lumière sont souvent victimes de la décohérence, c'est-à-dire ils cessent de stocker des informations d'une manière qui est utile du point de vue de l'ingénierie quantique, " dit Jon Kindem (MS '17, doctorat '19), auteur principal de la La nature papier. Pendant ce temps, les atomes d'éléments des terres rares - qui ont des propriétés qui rendent les éléments utiles en tant que qubits - ont tendance à mal interagir avec la lumière.

Pour surmonter ce défi, chercheurs dirigés par Andrei Faraon de Caltech (BS '04), professeur de physique appliquée et de génie électrique, construit une cavité nanophotonique, un faisceau d'environ 10 microns de longueur avec des nano-motifs périodiques, sculpté dans un morceau de cristal. Ils ont ensuite identifié un ion ytterbium de terre rare au centre du faisceau. La cavité optique leur permet de faire rebondir la lumière dans les deux sens le long du faisceau plusieurs fois jusqu'à ce qu'elle soit finalement absorbée par l'ion.

Dans le La nature papier, l'équipe a montré que la cavité modifie l'environnement de l'ion de telle sorte qu'à chaque fois qu'il émet un photon, plus de 99% du temps que le photon reste dans la cavité, où les scientifiques peuvent ensuite collecter et détecter efficacement ce photon pour mesurer l'état de l'ion. Cela se traduit par une augmentation de la vitesse à laquelle l'ion peut émettre des photons, améliorer l'efficacité globale du système.

En outre, les ions ytterbium sont capables de stocker des informations dans leur spin pendant 30 millisecondes. Dans ce temps, la lumière pourrait transmettre des informations pour voyager à travers les États-Unis continentaux. "Cela coche la plupart des cases. C'est un ion de terre rare qui absorbe et émet des photons exactement de la manière dont nous aurions besoin pour créer un réseau quantique, " dit Faraon, professeur de physique appliquée et de génie électrique. "Cela pourrait former la technologie de base de l'Internet quantique."

Actuellement, l'objectif de l'équipe est de créer les éléments constitutifs d'un réseau quantique. Prochain, ils espèrent étendre leurs expériences et connecter en fait deux bits quantiques, dit Faraon.

Leur article s'intitule "Contrôle et lecture monocoup d'un ion intégré dans une cavité nanophotonique".