Les chercheurs ont trouvé un moyen d'utiliser la lumière et un seul électron pour communiquer avec un nuage de bits quantiques et détecter leur comportement, permettant de détecter un seul bit quantique dans un nuage dense.

Les chercheurs, de l'Université de Cambridge, ont pu injecter une « aiguille » d'informations quantiques très fragiles dans une « botte de foin » de 100, 000 noyaux. Utiliser des lasers pour contrôler un électron, les chercheurs pourraient ensuite utiliser cet électron pour contrôler le comportement de la botte de foin, facilitant la recherche de l'aiguille. Ils ont pu détecter « l'aiguille » avec une précision de 1,9 partie par million :suffisamment élevée pour détecter un seul bit quantique dans ce grand ensemble.

La technique permet d'envoyer optiquement des informations quantiques très fragiles vers un système nucléaire pour stockage, et de vérifier son empreinte avec un minimum de perturbations, une étape importante dans le développement d'un Internet quantique basé sur des sources lumineuses quantiques. Les résultats sont publiés dans le journal Physique de la nature .

Les premiers ordinateurs quantiques, qui exploiteront le comportement étrange des particules subatomiques pour surpasser de loin même les supercalculateurs les plus puissants, sont à l'horizon. Cependant, tirer pleinement parti de leur potentiel nécessitera un moyen de les mettre en réseau :un Internet quantique. Les canaux de lumière qui transmettent des informations quantiques sont des candidats prometteurs pour un Internet quantique, et actuellement, il n'y a pas de meilleure source de lumière quantique que la boîte quantique semi-conductrice :de minuscules cristaux qui sont essentiellement des atomes artificiels.

Cependant, une chose s'oppose aux points quantiques et à un Internet quantique :la capacité de stocker temporairement des informations quantiques dans des postes intermédiaires le long du réseau.

"La solution à ce problème est de stocker l'information quantique fragile en la cachant dans le nuage de 100, 000 noyaux atomiques que contient chaque boîte quantique, comme une aiguille dans une botte de foin, " a déclaré le professeur Mete Atatüre du laboratoire Cavendish de Cambridge, qui a dirigé la recherche. "Mais si nous essayons de communiquer avec ces noyaux comme nous communiquons avec des bits, ils ont tendance à "retourner" au hasard, créant un système bruyant."

Le nuage de bits quantiques contenu dans une boîte quantique n'agit normalement pas dans un état collectif, ce qui en fait un défi d'obtenir des informations dans ou hors d'eux. Cependant, Atatüre et ses collègues ont montré en 2019 que lorsqu'ils sont refroidis à des températures ultra-basses en utilisant également la lumière, ces noyaux peuvent être amenés à faire des "danses quantiques" à l'unisson, réduisant considérablement la quantité de bruit dans le système.

Maintenant, ils ont montré une autre étape fondamentale vers le stockage et la récupération d'informations quantiques dans les noyaux. En contrôlant l'état collectif du 100, 000 noyaux, ils ont pu détecter l'existence de l'information quantique en tant que « bit quantique inversé » avec une précision ultra-élevée de 1,9 partie par million :assez pour voir un seul bit basculer dans le nuage de noyaux.

« Techniquement, c'est extrêmement exigeant, " a déclaré Atature, qui est également membre du St John's College. « Nous n'avons pas de moyen de « parler » au nuage et le nuage n'a pas de moyen de nous parler. Mais ce à qui nous pouvons parler est un électron :nous pouvons communiquer avec lui un peu comme un chien qui troupeaux de moutons."

En utilisant la lumière d'un laser, les chercheurs sont capables de communiquer avec un électron, qui communique alors avec les spins, ou moment angulaire inhérent, des noyaux.

En parlant à l'électron, l'ensemble chaotique de spins commence à se refroidir et à se rallier autour de l'électron berger; hors de cet état plus ordonné, l'électron peut créer des ondes de spin dans les noyaux.

"Si nous imaginons notre nuage de spins comme un troupeau de 100, 000 moutons se déplaçant au hasard, un mouton changeant soudainement de direction est difficile à voir, " dit Atatüre. " Mais si tout le troupeau se déplace comme une vague bien définie, alors un seul mouton changeant de direction devient très visible."

En d'autres termes, l'injection d'une onde de spin constituée d'un seul basculement de spin nucléaire dans l'ensemble permet de détecter plus facilement un seul basculement de spin nucléaire parmi 100, 000 tours nucléaires.

En utilisant cette technique, les chercheurs sont capables d'envoyer des informations au bit quantique et « d'écouter » ce que disent les spins avec un minimum de perturbations, jusqu'à la limite fondamentale fixée par la mécanique quantique.

"Ayant exploité cette capacité de contrôle et de détection sur ce grand ensemble de noyaux, notre prochaine étape sera de démontrer le stockage et la récupération d'un bit quantique arbitraire du registre de spin nucléaire, " a déclaré le co-premier auteur Daniel Jackson, un doctorat étudiant au Laboratoire Cavendish.

"Cette étape achèvera une mémoire quantique connectée à la lumière - un élément majeur sur la voie de la réalisation de l'Internet quantique, " a déclaré le co-premier auteur Dorian Gangloff, chercheur au St John's College.

Outre son utilisation potentielle pour un futur Internet quantique, la technique pourrait également être utile dans le développement de l'informatique quantique à l'état solide.