Peu de termes sont plus omniprésents dans l'arène scientifique de nos jours que « quantique ».

Les technologies basées sur les lois notoirement délicates de la mécanique quantique promettent de permettre à des ordinateurs beaucoup plus puissants que les supercalculateurs les plus rapides d'aujourd'hui, des communications sécurisées impossibles à pirater et des capacités de détection sans précédent nécessaires à la poursuite des découvertes scientifiques.

Mais pour que ces technologies voient le jour, les chercheurs doivent développer des réseaux de communications quantiques efficaces qui relient les dispositifs quantiques tout en préservant les états délicats des particules utilisées pour transmettre l'information.

Une équipe de chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, avec des collègues de l'Université Purdue, a franchi une étape importante vers cet objectif en exploitant la fréquence, ou couleur, de la lumière. De telles capacités pourraient contribuer à des réseaux quantiques plus pratiques et à grande échelle, exponentiellement plus puissants et sécurisés que les réseaux classiques que nous avons aujourd'hui.

Spécifiquement, l'équipe exploite les propriétés de la lumière et les principes de la mécanique quantique pour transférer des informations, faisant du réseau lui-même un processeur d'informations quantiques photoniques. Cette approche est prometteuse pour plusieurs raisons.

Pour commencer, les photons voyagent à la vitesse de la lumière, permettant à l'information d'aller du point A au point B le plus rapidement possible. Les photons n'interagissent généralement pas entre eux ou avec l'environnement environnant, s'assurer que les informations ne seront pas brouillées ou corrompues pendant le transport. "La lumière est vraiment la seule option viable pour les communications quantiques sur de longues distances, " a déclaré le chef de projet Joseph Lukens, un chercheur de l'ORNL, Wigner Fellow et lauréat du DOE Early Career Award qui a aidé à détailler les résultats de l'équipe dans Lettres d'examen physique .

L'équipe a utilisé la lumière pour produire des qubits de fréquence-bin, ou des photons uniques qui résident dans deux fréquences différentes simultanément, pour démontrer pour la première fois des opérations de communication totalement arbitraires dans le codage de fréquence. Alors que le codage et l'intrication de fréquence apparaissent dans de nombreux systèmes et sont naturellement compatibles avec la fibre optique, l'utilisation de ces phénomènes pour effectuer des opérations de manipulation et de traitement de données s'est traditionnellement avérée difficile. De telles opérations, cependant, sont requis pour les fonctions de réseau de base dans les communications quantiques et, par extension, la réalisation d'une vaste gamme de technologies quantiques.

En utilisant une technologie développée à l'ORNL connue sous le nom de processeur de fréquence quantique, les chercheurs ont démontré des portes quantiques largement applicables, ou les opérations logiques nécessaires à l'exécution des protocoles de communication quantique. Dans ces protocoles, les chercheurs doivent être capables de manipuler les photons d'une manière définie par l'utilisateur, souvent en réponse à des mesures effectuées sur des particules ailleurs dans le réseau. Considérant que les opérations traditionnelles utilisées dans les ordinateurs classiques et les technologies de communication, tels que ET et OU, fonctionner sur les zéros et les uns numériques individuellement, les portes quantiques fonctionnent sur des superpositions simultanées de zéros et de uns, protéger les informations quantiques lors de leur passage, un phénomène requis pour réaliser un véritable réseau quantique.

En prouvant que leur configuration pouvait transformer n'importe quel état de qubit en un état de qubit différent, l'équipe a démontré le transfert d'informations pratiques. "Si vous pouvez faire des opérations arbitraires, vous pouvez faire l'un des protocoles de communication quantique fondamentaux tels que le routage basé sur la conversion de fréquence, ", a déclaré Lukens.

Le leur est l'un des nombreux systèmes différents, mais parmi les plus prometteurs compte tenu des résultats. Par exemple, l'équipe a réussi à démontrer une fidélité de plus de 98 %, une mesure quantitative de la précision, en utilisant sa configuration personnalisée.

Alors que la mise en réseau quantique de fréquence-bin a été historiquement difficile à contrôler, la boîte à outils de l'équipe, Lukens a dit, le rend beaucoup plus contrôlable. Non seulement que, c'est un système produit naturellement qui s'adapte bien aux fibres optiques existantes. En réalité, le système a été conçu en utilisant des composants télécoms classiques tels que des modulateurs de phase. Ces facteurs rendent la technologie moins chère et plus attrayante pour les industries qui cherchent à l'appliquer. Par ailleurs, cet effet domino fait avancer simultanément les communications classiques et quantiques, faisant ainsi progresser les méthodes de l'équipe et rapprochant peut-être les réseaux quantiques à grande échelle de la réalité.

Leur prochaine expérience consistera à implémenter leur système sur un circuit intégré photonique. "Il y a beaucoup d'applications imprévues, " a déclaré Lukens. " Le codage de fréquence est naturellement produit par de nombreux systèmes différents, et il est très bien adapté à la fibre optique, l'espace d'application potentiel devrait donc être large. »