Des chercheurs de l'armée prédisent que les circuits informatiques quantiques qui n'auront plus besoin de températures extrêmement froides pour fonctionner pourraient devenir une réalité après environ une décennie.

Pendant des années, la technologie quantique à l'état solide qui fonctionne à température ambiante semblait lointaine. Alors que l'application de cristaux transparents avec des non-linéarités optiques était apparue comme la voie la plus probable vers cette étape importante, la plausibilité d'un tel système restait toujours en question.

Maintenant, Les scientifiques de l'armée ont officiellement confirmé la validité de cette approche. Dr Kurt Jacobs, du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine, aux côtés du Dr Mikkel Heuck et du Prof. Dirk Englund, du Massachusetts Institute of Technology, est devenu le premier à démontrer la faisabilité d'une porte logique quantique composée de circuits photoniques et de cristaux optiques.

« Si les futurs appareils utilisant des technologies quantiques nécessitent un refroidissement à des températures très froides, alors cela les rendra chers, volumineux, et avide de pouvoir, " a déclaré Heuck. "Notre recherche vise à développer de futurs circuits photoniques qui seront capables de manipuler l'intrication requise pour les dispositifs quantiques à température ambiante."

La technologie quantique offre une gamme d'avancées futures en informatique, communication et télédétection.

Afin d'accomplir tout type de tâche, les ordinateurs classiques traditionnels fonctionnent avec des informations entièrement déterminées. L'information est stockée dans de nombreux bits, dont chacun peut être activé ou désactivé. Un ordinateur classique, lorsqu'on lui donne une entrée spécifiée par un nombre de bits, peut traiter cette entrée pour produire une réponse, qui est également donné en nombre de bits. Un ordinateur classique traite une entrée à la fois.

En revanche, les ordinateurs quantiques stockent des informations dans des qubits qui peuvent être dans un état étrange où ils sont à la fois allumés et éteints. Cela permet à un ordinateur quantique d'explorer les réponses à de nombreuses entrées en même temps. Bien qu'il ne puisse pas afficher toutes les réponses à la fois, il peut générer des relations entre ces réponses, ce qui lui permet de résoudre certains problèmes beaucoup plus rapidement qu'un ordinateur classique.

Malheureusement, l'un des inconvénients majeurs des systèmes quantiques est la fragilité des états étranges des qubits. La plupart des matériels potentiels pour la technologie quantique doivent être conservés à des températures extrêmement froides, proches de zéro kelvin, pour éviter que les états spéciaux ne soient détruits en interagissant avec l'environnement de l'ordinateur.

"Toute interaction qu'un qubit a avec quoi que ce soit d'autre dans son environnement va commencer à déformer son état quantique, " Jacobs a dit. "Par exemple, si l'environnement est un gaz de particules, puis en le gardant très froid, les molécules de gaz se déplacent lentement, afin qu'ils ne s'écrasent pas autant sur les circuits quantiques."

Les chercheurs ont dirigé divers efforts pour résoudre ce problème, mais une solution définitive reste à trouver. À l'heure actuelle, les circuits photoniques qui incorporent des cristaux optiques non linéaires sont actuellement apparus comme la seule voie possible vers l'informatique quantique avec des systèmes à semi-conducteurs à température ambiante.

"Les circuits photoniques sont un peu comme les circuits électriques, sauf qu'ils manipulent la lumière au lieu de signaux électriques, " dit Englund. " Par exemple, nous pouvons faire des canaux dans un matériau transparent que les photons descendront, un peu comme les signaux électriques voyageant le long des fils."

Contrairement aux systèmes quantiques qui utilisent des ions ou des atomes pour stocker des informations, les systèmes quantiques qui utilisent des photons peuvent contourner la limitation de la température froide. Cependant, les photons doivent toujours interagir avec d'autres photons pour effectuer des opérations logiques. C'est là qu'entrent en jeu les cristaux optiques non linéaires.

Les chercheurs peuvent créer des cavités dans les cristaux qui piègent temporairement les photons à l'intérieur. Grâce à cette méthode, le système quantique peut établir deux états possibles différents qu'un qubit peut contenir :une cavité avec un photon (on) et une cavité sans photon (off). Ces qubits peuvent alors former des portes logiques quantiques, qui créent le cadre des états étranges.

En d'autres termes, les chercheurs peuvent utiliser l'état indéterminé de la présence ou non d'un photon dans une cavité cristalline pour représenter un qubit. Les portes logiques agissent sur deux qubits ensemble, et peut créer un "intrication quantique" entre eux. Cet enchevêtrement est généré automatiquement dans un ordinateur quantique, et est requis pour les approches quantiques des applications en détection.

Cependant, les scientifiques ont fondé l'idée de fabriquer des portes logiques quantiques à l'aide de cristaux optiques non linéaires entièrement sur la spéculation, jusqu'à présent. Bien qu'il ait montré d'immenses promesses, des doutes subsistaient quant à savoir si cette méthode pouvait même conduire à des portes logiques pratiques.

L'application de cristaux optiques non linéaires était restée en question jusqu'à ce que des chercheurs du laboratoire de l'armée et du MIT présentent un moyen de réaliser une porte logique quantique avec cette approche en utilisant des composants de circuits photoniques établis.

"Le problème était que si l'on a un photon voyageant dans un canal, le photon a un "paquet d'ondes" avec une certaine forme, " dit Jacobs. " Pour une porte quantique, vous avez besoin que les paquets d'ondes photoniques restent les mêmes après l'opération de la porte. Puisque les non-linéarités déforment les paquets d'ondes, la question était de savoir si vous pouviez charger le paquet d'ondes dans des cavités, les faire interagir via une non-linéarité, puis émettre à nouveau les photons pour qu'ils aient les mêmes paquets d'ondes qu'au départ."

Une fois qu'ils ont conçu la porte logique quantique, les chercheurs ont effectué de nombreuses simulations informatiques du fonctionnement du portail pour démontrer qu'il pouvait, en théorie, fonctionner de manière appropriée. La construction effective d'une porte logique quantique avec cette méthode nécessitera d'abord des améliorations significatives de la qualité de certains composants photoniques, les chercheurs ont dit.

« Sur la base des progrès réalisés au cours de la dernière décennie, nous prévoyons qu'il faudra une dizaine d'années pour que les améliorations nécessaires soient réalisées, " Heuck a dit. " Cependant, le processus de chargement et d'émission d'un paquet d'ondes sans distorsion est quelque chose que nous devrions pouvoir réaliser avec la technologie expérimentale actuelle, et c'est donc une expérience sur laquelle nous travaillerons ensuite."

Lettres d'examen physique a publié les conclusions de l'équipe dans un article à comité de lecture le 20 avril.