Des recherches de la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à St. Louis ont trouvé une pièce manquante dans le puzzle de l'informatique quantique optique.

Jung Tsung Shen, professeur agrégé au Département de génie électrique et des systèmes, a développé un déterministe, porte logique quantique à deux bits haute fidélité qui tire parti d'une nouvelle forme de lumière. Cette nouvelle porte logique est de plusieurs ordres de grandeur plus efficace que la technologie actuelle.

« Dans le cas idéal, la fidélité peut atteindre 97%, " dit Shen.

Ses recherches ont été publiées en mai 2021 dans la revue Examen physique A .

Le potentiel des ordinateurs quantiques est lié aux propriétés inhabituelles de la superposition - la capacité d'un système quantique à contenir de nombreuses propriétés distinctes, ou des États, à la fois - et enchevêtrement - deux particules agissant comme si elles étaient corrélées de manière non classique, en dépit d'être physiquement éloignés les uns des autres.

Où la tension détermine la valeur d'un bit (un 1 ou un 0) dans un ordinateur classique, les chercheurs utilisent souvent des électrons individuels comme "qubits, " l'équivalent quantique. Les électrons ont plusieurs caractéristiques qui leur conviennent bien à la tâche :ils sont facilement manipulés par un champ électrique ou magnétique et ils interagissent les uns avec les autres. de la mécanique quantique manifeste.

Mais leur propension à interagir est également un problème. Tout, des champs magnétiques parasites aux lignes électriques, peut influencer les électrons, ce qui les rend difficiles à vraiment contrôler.

Au cours des deux dernières décennies, cependant, certains scientifiques ont essayé d'utiliser des photons comme qubits au lieu d'électrons. « Si les ordinateurs doivent avoir un véritable impact, nous devons envisager de créer la plate-forme en utilisant la lumière, " dit Shen.

Les photons sont gratuits, ce qui peut conduire aux problèmes inverses :ils n'interagissent pas avec l'environnement comme les électrons, mais ils n'interagissent pas non plus les uns avec les autres. Il a également été difficile de concevoir et de créer des interactions inter-photons ad hoc (efficaces). Ou alors la pensée traditionnelle est allée.

Il y a moins d'une décennie, les scientifiques travaillant sur ce problème ont découvert que, même s'ils n'étaient pas empêtrés lorsqu'ils sont entrés dans une porte logique, le fait de mesurer les deux photons à leur sortie les a conduits à se comporter comme s'ils l'avaient été. Les caractéristiques uniques de la mesure sont une autre manifestation sauvage de la mécanique quantique.

"La mécanique quantique n'est pas difficile, mais c'est plein de surprises, " dit Shen.

La découverte de la mesure était révolutionnaire, mais pas tout à fait révolutionnaire. C'est parce que pour chaque 1, 000, 000 photons, une seule paire s'est emmêlée. Les chercheurs ont depuis eu plus de succès, mais, Shen a dit, "Ce n'est toujours pas assez bon pour un ordinateur, " qui doit effectuer des millions à des milliards d'opérations par seconde.

Shen a pu construire une porte logique quantique à deux bits avec une telle efficacité grâce à la découverte d'une nouvelle classe d'états photoniques quantiques :les dimères photoniques, photons intriqués à la fois dans l'espace et dans la fréquence. Sa prédiction de leur existence a été validée expérimentalement en 2013, et il a depuis trouvé des applications pour cette nouvelle forme de lumière.

Lorsqu'un seul photon entre dans une porte logique, rien de notable ne se passe - il entre et sort. Mais quand il y a deux photons, "C'est à ce moment-là que nous avons prédit que les deux peuvent créer un nouvel état, dimères photoniques. Il s'avère que ce nouvel état est crucial."

Mathématiquement, il existe de nombreuses façons de concevoir une porte logique pour des opérations sur deux bits. Ces différentes conceptions sont dites équivalentes. La porte logique spécifique que Shen et son groupe de recherche ont conçue est la porte à phase contrôlée (ou porte à Z contrôlé). La fonction principale de la porte à phase contrôlée est que les deux photons qui sortent sont dans l'état négatif des deux photons qui sont entrés.

« Dans les circuits classiques, il n'y a pas de signe moins, " dit Shen. " Mais en informatique quantique, il s'avère que le signe moins existe et qu'il est crucial."

Lorsque deux photons indépendants (représentant deux qubits optiques) pénètrent dans la porte logique, "La conception de la porte logique est telle que les deux photons peuvent former un dimère photonique, " a déclaré Shen. " Il s'avère que le nouvel état photonique quantique est crucial car il permet à l'état de sortie d'avoir le signe correct qui est essentiel aux opérations de logique optique. "

Shen a travaillé avec l'Université du Michigan pour tester sa conception, qui est une porte logique à semi-conducteurs, qui peut fonctionner dans des conditions modérées. Jusque là, il dit, les résultats semblent positifs.

Shen dit ce résultat, tout en déroutant pour la plupart, est clair comme le jour pour ceux qui savent.

"C'est comme un puzzle, " dit-il. " C'est peut-être compliqué à faire, mais une fois que c'est fait, juste en le regardant, vous saurez que c'est correct."