Des chercheurs du MIT utilisant des bits quantiques supraconducteurs connectés à une ligne de transmission hyperfréquence ont montré comment les qubits peuvent générer à la demande les photons, ou des particules de lumière, nécessaire à la communication entre les processeurs quantiques.

L'avancée est une étape importante vers la réalisation des interconnexions qui permettraient à un système informatique quantique modulaire d'effectuer des opérations à des vitesses exponentiellement plus rapides que celles que peuvent atteindre les ordinateurs classiques.

"L'informatique quantique modulaire est une technique pour atteindre l'informatique quantique à grande échelle en partageant la charge de travail sur plusieurs nœuds de traitement, " dit Bharath Kannan, Chercheur diplômé du MIT et premier auteur d'un article sur ce sujet publié aujourd'hui dans Avancées scientifiques . « Ces nœuds, cependant, ne sont généralement pas co-localisés, nous devons donc être en mesure de communiquer des informations quantiques entre des emplacements distants."

Dans les ordinateurs classiques, les fils sont utilisés pour acheminer les informations dans les deux sens à travers un processeur pendant le calcul. Dans un ordinateur quantique, l'information elle-même est quantique mécanique et fragile, nécessitant de nouvelles stratégies pour traiter et communiquer simultanément l'information.

"Les qubits supraconducteurs sont une technologie de pointe aujourd'hui, mais ils ne supportent généralement que les interactions locales (plus proche voisin ou qubits très proches). La question est de savoir comment se connecter à des qubits situés à des endroits éloignés, " dit William Oliver, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique, Boursier du laboratoire MIT Lincoln, directeur du Centre d'ingénierie quantique, et directeur associé du Laboratoire de recherche en électronique. "Nous avons besoin d'interconnexions quantiques, idéalement basé sur des guides d'ondes micro-ondes qui peuvent guider l'information quantique d'un endroit à un autre."

Cette communication peut se faire via la ligne de transmission hyperfréquence, ou guide d'onde, comme les excitations stockées dans les qubits génèrent des paires de photons, qui sont émis dans le guide d'ondes puis se déplacent vers deux nœuds de traitement distants. Les photons identiques sont dits "intriqués, " agissant comme un seul système. Lorsqu'ils se déplacent vers des nœuds de traitement distants, ils peuvent distribuer cet enchevêtrement à travers un réseau quantique.

« Nous générons les photons intriqués à la demande à l'aide des qubits, puis libérons l'état intriqué vers le guide d'ondes avec une très grande efficacité, essentiellement l'unité, " dit Olivier.

Les recherches rapportées dans le Avancées scientifiques papier utilise une technique relativement simple, dit Kannan.

"Notre travail présente une nouvelle architecture pour générer des photons intriqués spatialement de manière très simple, en utilisant seulement un guide d'onde et quelques qubits, qui agissent comme les émetteurs photoniques, " dit Kannan. " L'intrication entre les photons peut ensuite être transférée dans les processeurs pour une utilisation dans les protocoles de communication quantique ou d'interconnexion. "

Alors que les chercheurs ont déclaré qu'ils n'avaient pas encore mis en œuvre ces protocoles de communication, leurs recherches en cours vont dans ce sens.

"Nous n'avons pas encore effectué la communication entre les processeurs dans ce travail, mais plutôt montré comment nous pouvons générer des photons utiles pour la communication et l'interconnexion quantiques, " dit Kannan.

Oeuvre précédente de Kannan, Olivier, et ses collègues ont présenté une architecture d'électrodynamique quantique de guide d'ondes utilisant des qubits supraconducteurs qui sont essentiellement un type d'atome géant artificiel. Cette recherche a démontré comment une telle architecture peut effectuer des calculs quantiques à faible erreur et partager des informations quantiques entre les processeurs. Ceci est accompli en ajustant la fréquence des qubits pour régler la force d'interaction qubit-guide d'ondes afin que les qubits fragiles puissent être protégés de la décohérence induite par le guide d'ondes pour effectuer des opérations de qubit haute fidélité, puis en réajustant la fréquence des qubits afin que les qubits puissent libérer leurs informations quantiques dans le guide d'ondes sous forme de photons.

Cet article a présenté la capacité de génération de photons de l'architecture électrodynamique quantique du guide d'ondes, montrant que les qubits peuvent être utilisés comme émetteurs quantiques pour le guide d'ondes. Les chercheurs ont démontré que les interférences quantiques entre les photons émis dans le guide d'ondes génèrent des intrications, photons itinérants qui voyagent dans des directions opposées et peuvent être utilisés pour la communication à longue distance entre les processeurs quantiques.

La génération de photons intriqués dans l'espace dans les systèmes optiques est généralement accomplie à l'aide d'une conversion paramétrique spontanée et de photodétecteurs, mais l'intrication générée obtenue de cette manière est généralement aléatoire et donc moins utile pour permettre la communication à la demande d'informations quantiques dans un système distribué.

"La modularité est un concept clé de tout système extensible, ", explique Oliver. "Notre objectif ici est de démontrer les éléments des interconnexions quantiques qui devraient être utiles dans les futurs processeurs quantiques."