Cependant, cela entraîne non seulement une puissance de calcul massive, mais aussi une véritable explosion de formules lorsqu’elles sont décrites mathématiquement. La représentation graphique abstraite de ces états complexes sous forme d'"étoiles", d'"anneaux" ou d'"arbres", par exemple, offre une simplification élégante.

L'équipe d'Olivier Morin du département de Gerhard Rempe, directeur de l'Institut Max Planck d'optique quantique à Garching, a réussi pour la première fois à créer expérimentalement un état graphique en forme d'anneau et un état en forme d'arbre. Il s'agit d'une avancée majeure pour le développement des ordinateurs quantiques ou de l'Internet quantique.

Dans un futur Internet quantique, que Rempe étudie depuis longtemps en tant que pionnier, les quanta de lumière pourraient ainsi être intriqués pour former un message quantique beaucoup plus stable face aux pertes. L'ouvrage est publié dans Nature .

Le concept d’intrication constitue la base de toutes les technologies de l’information quantique recherchées et développées, qu’il s’agisse d’ordinateurs quantiques ou d’Internet quantique. Des paires de bits quantiques, ou qubits en abrégé, qui sont intriqués les uns dans les autres, servent d'élément de base.

Vous pouvez imaginer une telle paire comme deux lumières LED reliées entre elles via un câble. En les connectant de plus en plus, des chaînes de lumières plus longues peuvent être formées. Les lumières représentent les qubits, les morceaux de câble l'enchevêtrement entre eux. Cela permet de créer non seulement des chaînes, mais aussi des anneaux, des étoiles ou des structures en forme d'arbre.

Cependant, dessiner une image qui ressemble à des décorations de Noël dans cette analogie peut également être très intéressant pour le traitement de l'information quantique, désormais de retour sous la forme de qubits intriqués. "Avec une configuration en forme d'échelle de qubits intriqués, par exemple, un ordinateur quantique universel peut être construit", explique Gerhard Rempe.

Ses recherches portent sur l'Internet quantique, dans lequel les informations quantiques, regroupées dans des photons intriqués sous forme de « qubits volants », sont envoyées via des réseaux de fibres optiques. Le plus grand défi ici est la perte de photons, qui augmente de façon exponentielle avec la durée de la transmission.

En guise d'antidote, il serait par exemple astucieux de superposer un enchevêtrement en forme d'arbre à un flux de photons volant les uns après les autres. "Vous pourriez y écrire des informations quantiques de manière redondante", explique Rempe, "et même si seulement la moitié des photons arrivaient au récepteur, il pourrait quand même recréer ces informations."

Notation graphique élégante pour les intrications complexes

Vu de l'extérieur, le flux de photons ressemblerait toujours à un collier de perles, selon le physicien, quelle que soit la forme de l'état quantique graphique des photons. La représentation graphique sous forme d'étoile, d'arbre ou d'anneau est située dans un espace mathématique abstrait.

La physique mathématique l'a développé il y a de nombreuses années afin de résoudre un problème :plus les qubits sont intriqués les uns avec les autres, en particulier dans les connexions croisées, plus les formules de mécanique quantique qu'il faudrait écrire deviennent gigantesques.

Il s’agit essentiellement de la même explosion exponentielle qui produit la puissance de calcul des bits quantiques. La représentation graphique, en revanche, est délicieusement simple :les nœuds symbolisent les bits quantiques, les lignes entre eux l'intrication.

Extrêmement difficile à réaliser expérimentalement

Ce qui semble merveilleusement élégant et simple en théorie est cependant extrêmement difficile à réaliser expérimentalement. "En 2007, nous avons imaginé pour la première fois que nous pourrions produire des états de graphes de mécanique quantique en utilisant nos techniques expérimentales", explique Rempe.

Le professeur de physique a passé des décennies à perfectionner un processus dans lequel des atomes individuels sont piégés entre deux miroirs hautement réfléchissants. Ces cavités optiques peuvent être utilisées pour aborder diverses questions fondamentales en physique, telles que la manière dont la lumière interagit avec la matière. Une telle cavité agit sur l'atome comme deux miroirs entre lesquels on peut se placer, se voir des millions de fois comme un reflet dans un reflet et ainsi de suite.

Une fois qu’un atome s’illumine, c’est-à-dire émet un photon, il « voit » des centaines de milliers d’atomes illuminés, images miroir de lui-même. Cela oblige l’atome à émettre le photon exactement dans la direction de l’axe du miroir. L'un des deux miroirs est légèrement perméable, comme c'est le cas dans un laser, et ainsi le photon peut s'échapper de la « galerie des glaces » et être enregistré par un détecteur.

Ce n’est que grâce à cette astuce que les chercheurs savent où chercher le minuscule photon et peuvent ainsi positionner correctement le détecteur. L'atome lui-même, flottant dans un champ de lumière, peut être manipulé à travers les extrémités ouvertes de la cavité à l'aide de lasers et d'optiques de haute précision.

Les qubits physiquement séparés sont fusionnés en un seul qubit logique

En 2007, un doctorant parvient pour la première fois à faire émettre ainsi par un atome deux photons intriqués. Ce fut l’étincelle initiale pour Rempe. En 2022, le groupe d'Olivier Morin dans le département de Rempe a obtenu 12 photons intriqués en forme de chaîne et 14 photons intriqués en forme d'étoile, un record du monde.

Cependant, mathématiquement parlant, il ne s'agissait que d'états de graphes unidimensionnels, y compris « l'étoile ». Afin d'arriver à des anneaux ou des arbres, une deuxième dimension était nécessaire, une "zone" dans l'espace abstrait des états du graphe.

L’équipe a capturé deux atomes de rubidium-87 dans la cavité optique et a préparé un état graphique unidimensionnel avec les deux atomes, dans lequel l’atome est intriqué avec de nombreux photons. Grâce à une mesure conjointe sur les deux atomes, les deux qubits atomiques physiquement séparés sont ensuite « fusionnés » en un seul qubit « logique ». Cela génère ensuite un état graphique bidimensionnel.

De cette manière, il a été possible de fusionner des chaînes de photons simples dans un état graphique en forme d'arbre, par exemple, et ainsi de générer des modèles d'intrication complexes adaptés à des applications sophistiquées.

"Les implications sont gigantesques", déclare Rempe à propos de cette avancée après un marathon scientifique qui a duré près d'une décennie. "Une toute nouvelle communauté de recherche se forme actuellement autour du sujet."