La technologie quantique utilise généralement des qubits (bits quantiques) constitués de, par exemple, électrons simples, photons ou atomes. Un groupe de chercheurs de la TU Delft a maintenant démontré la capacité de téléporter un état qubit arbitraire à partir d'un seul photon sur un dispositif optomécanique, constitué d'une structure mécanique comprenant des milliards d'atomes. Leur recherche de pointe, maintenant publié dans Photonique de la nature , permet des applications du monde réel telles que les nœuds de répéteurs Internet quantiques tout en permettant également à la mécanique quantique elle-même d'être étudiée de nouvelles manières.

Optomécanique quantique

Le domaine de l'optomécanique quantique utilise des moyens optiques pour contrôler le mouvement mécanique dans le régime quantique. Les premiers effets quantiques dans les dispositifs mécaniques à micro-échelle ont été démontrés il y a une dizaine d'années. Des efforts ciblés ont depuis abouti à des états intriqués entre des dispositifs optomécaniques ainsi qu'à des démonstrations d'une mémoire quantique optomécanique. Maintenant, le groupe de Simon Gröblacher, de l'Institut de nanosciences Kavli et du Département de nanosciences quantiques de l'Université de technologie de Delft, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Campinas au Brésil, a montré la première téléportation réussie d'un état qubit optique arbitraire sur une mémoire quantique micromécanique.

Nœuds répéteurs pour un Internet quantique

La téléportation quantique - le transfert fidèle d'un état quantique d'entrée inconnu sur un système quantique distant - est un élément clé des protocoles de communication quantique longue distance nécessaires à la construction d'un Internet quantique. Tout comme l'Internet ordinaire, la distribution d'informations quantiques entre les dispositifs quantiques n'importe où dans le monde nécessitera un réseau de nœuds répéteurs. Chaque nœud stockera temporairement les informations quantiques dans une mémoire avant de les téléporter vers un nœud suivant, établir finalement la communication quantique à longue distance.

Deux résonateurs micromécaniques partageant un même état quantique

Dans leur expérience, les chercheurs créent un qubit photonique codé en polarisation dans un état quantique arbitraire. Ils transportent ensuite ce photon sur des dizaines de mètres de fibre optique et le téléportent sur leur mémoire quantique composée de deux massifs, résonateurs mécaniques au silicium—chacun mesurant environ 10 micromètres et constitués de dizaines de milliards d'atomes. L'information quantique était stockée dans le sous-espace d'excitation unique des deux résonateurs. Pour tester la fiabilité du processus, les chercheurs ont en outre démontré qu'ils pouvaient fidèlement récupérer cet état téléporté de la mémoire.

Longueurs d'onde télécom

Bien que la téléportation quantique ait déjà été démontrée dans divers systèmes quantiques, l'utilisation de dispositifs optomécaniques est une avancée car ils peuvent être conçus pour fonctionner à n'importe quelle longueur d'onde optique, y compris les longueurs d'onde des fibres de télécommunications infrarouges à faible perte. "C'est cette longueur d'onde qui entraîne la plus faible perte de transmission, permettant la distance la plus longue entre les nœuds répéteurs, " dit Gröblacher. " Cette étape a été possible grâce à la qualité et la flexibilité de nos systèmes optomécaniques nanofabriqués, lequel, contrairement à la plupart des autres systèmes quantiques, permettre des propriétés optiques conçues indépendamment. Un futur Internet quantique utilisera sans aucun doute le réseau de télécommunications existant à cette longueur d'onde."

Tous les blocs de construction

En principe, la téléportation quantique peut être effectuée sur des distances arbitraires. En téléportant un état quantique photonique sur des dizaines de mètres de fibre optique sur une mémoire quantique, les chercheurs ont démontré la nécessité d'un nœud répéteur quantique optomécanique entièrement fonctionnel. Gröblacher : « Nous devons maintenant améliorer encore les performances au niveau requis pour un système pouvant être déployé dans une application réelle, comme l'augmentation des taux de redoublement, fidélités et le taux de réussite de la téléportation et du stockage de qubit." Selon Thiago Alegre, chercheur à l'Université de Campinas et collaborateur sur ce projet, une voie sera de concevoir des systèmes optomécaniques résilients à l'absorption optique parasite. "Cela peut être réalisé grâce à la flexibilité de ces dispositifs nanofabriqués."

Une approche hybride

La recherche actuelle est un grand pas vers la vision de Gröblacher d'un futur Internet quantique hybride. "Nous travaillons vers un réseau hétérogène où vous disposez de divers systèmes physiques communiquant et exécutant différentes fonctionnalités, ", dit-il. "Vous pouvez avoir des nœuds de répéteurs quantiques optomécaniques connectés à un ordinateur quantique ou à une mémoire constituée de qubits supraconducteurs ou de systèmes quantiques de spin, respectivement. Tous ces éléments devront être compatibles les uns avec les autres et fonctionner à la même longueur d'onde afin de transférer fidèlement les informations quantiques."

Transition quantique-classique

En plus de permettre des blocs de construction pour de nouvelles technologies quantiques, la possibilité de téléporter un état qubit arbitraire sur un massif, les oscillateurs mécaniques peuvent également être utilisés pour tester la physique quantique elle-même à un niveau fondamental. Alors que les très petits systèmes se comportent généralement selon les lois de la mécanique quantique, les grands systèmes sont régis par les lois classiques de la physique. "Les expériences ont exclu certaines théories décrivant les mécanismes de décohérence conduisant à la transition quantique-classique, mais nous sommes loin d'une réponse définitive, " dit Gröblacher. " Comme il est relativement facile de faire évoluer nos systèmes optomécaniques et d'utiliser la téléportation pour créer des états quantiques intéressants, c'est une étape importante dans la compréhension de cette frontière."