Des recherches sur l’informatique quantique et les réseaux quantiques sont en cours partout dans le monde dans l’espoir de développer un Internet quantique à l’avenir. Un Internet quantique serait un réseau d'ordinateurs quantiques, de capteurs et de dispositifs de communication qui créeraient, traiteraient et transmettraient des états quantiques et des intrications. Il devrait améliorer le système Internet de la société et fournir certains services et sécurités que l'Internet actuel n'a pas.

Une équipe de physiciens de l’Université Stony Brook et leurs collaborateurs ont franchi une étape importante vers la construction d’un banc d’essai Internet quantique en démontrant une mesure fondamentale de réseau quantique utilisant des mémoires quantiques à température ambiante. Leurs découvertes sont décrites dans un article publié dans npj Quantum Information. .

Le domaine de l'information quantique combine essentiellement des aspects de la physique, des mathématiques et de l'informatique classique pour utiliser la mécanique quantique afin de résoudre des problèmes complexes beaucoup plus rapidement que l'informatique classique et de transmettre des informations d'une manière impossible à pirater.

Alors que la vision d'un système Internet quantique se développe et que ce domaine a connu un regain d'intérêt de la part des chercheurs et du grand public, accompagné d'une forte augmentation du capital investi, un véritable prototype d'Internet quantique n'a pas été construit.

Selon l'équipe de recherche de Stony Brook, le principal obstacle à la réalisation du potentiel de rendre les réseaux de communication plus sûrs, les systèmes de mesure plus précis et les algorithmes pour certaines analyses scientifiques plus puissants, repose sur le développement de systèmes capables de transmettre l'information quantique et l'intrication à travers de nombreux nœuds. et sur de longues distances. Ces systèmes sont appelés répéteurs quantiques et constituent l'un des défis les plus complexes de la recherche actuelle en physique.

Les chercheurs ont avancé les capacités des répéteurs quantiques dans leurs dernières expérimentations. Ils ont construit et caractérisé des mémoires quantiques fonctionnant à température ambiante et ont démontré que ces mémoires ont des performances identiques, une caractéristique essentielle lorsque l'objectif est de construire des réseaux de répéteurs quantiques à grande échelle qui comprendront plusieurs de ces mémoires.

Ils ont testé l'identité de ces mémoires dans leurs fonctionnalités en envoyant des états quantiques identiques dans chacune des mémoires et en effectuant un processus appelé Interférence de Hong-Ou-Mandel sur les sorties des mémoires, un test standard pour quantifier l'indiscernabilité des propriétés des photons. /P>

Ils ont démontré que le processus de stockage et de récupération des qubits optiques dans leurs mémoires quantiques à température ambiante ne déforme pas de manière significative le processus d'interférence conjointe et permet l'échange d'intrication assisté par mémoire, un protocole pour distribuer l'intrication sur de longues distances et la clé de la construction d'un système quantique opérationnel. répéteurs.

"Nous pensons qu'il s'agit d'une étape extraordinaire vers le développement de répéteurs quantiques viables et de l'Internet quantique", déclare l'auteur principal Eden Figueroa, Ph.D., professeur présidentiel à l'innovation à Stony Brook et directeur du Center for Distributed Quantum Processing, qui détient une nomination conjointe au Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l'énergie.

De plus, le matériel quantique développé par l’équipe fonctionne à température ambiante, ce qui réduit considérablement les coûts d’exploitation et rend le système beaucoup plus rapide. Une grande partie de la recherche quantique ne se déroule pas à température ambiante, mais à des températures proches du zéro absolu, qui sont plus coûteuses, plus lentes et techniquement plus difficiles à mettre en réseau. Ainsi, la technologie à température ambiante est prometteuse pour la construction de réseaux quantiques à grande échelle.

L’équipe a non seulement obtenu des résultats en matière de mémoire quantique et de communication à température ambiante, mais a également breveté son approche. Ils ont reçu des brevets américains concernant le stockage quantique à température ambiante et les répéteurs quantiques à taux de répétition élevé.

"Faire fonctionner ensemble ces flottes de mémoires quantiques à un niveau quantique et à température ambiante est quelque chose d'essentiel pour tout Internet quantique, à quelque échelle que ce soit. À notre connaissance, cet exploit n'a jamais été démontré auparavant, et nous nous espérons tirer parti de ces recherches", souligne Figueroa, soulignant que leur technologie brevetée leur permet de tester davantage le réseau quantique.

Les co-auteurs Sonali Gera, chercheur postdoctoral, et Chase Wallace, doctorant, tous deux au Département de physique et d'astronomie, ont travaillé en étroite collaboration avec Figueroa, avec d'autres collègues, au cours de l'expérimentation qui, en un sens, vise à « amplifier » efficacement " l'intrication sur les distances, fonction essentielle d'un répéteur quantique.

"Comme les mémoires sont capables de stocker des photons avec une durée de stockage définie par l'utilisateur, nous avons également pu montrer la synchronisation temporelle de la récupération des photons malgré l'arrivée des photons dans les mémoires à des moments aléatoires, ce qui est une autre fonctionnalité nécessaire au fonctionnement d'un système quantique. système de répéteur", explique Gera.

Elle et Wallace ajoutent que certaines des prochaines étapes de la recherche de l'équipe consistent à construire et caractériser des sources d'intrication compatibles avec les mémoires quantiques et à concevoir des mécanismes pour « annoncer » la présence de photons stockés dans de nombreuses mémoires quantiques.

Plus d'informations : Sonali Gera et al, Interférence Hong-Ou-Mandel d'impulsions au niveau d'un photon unique stockées dans des mémoires quantiques indépendantes à température ambiante, npj Quantum Information (2024). DOI :10.1038/s41534-024-00803-2

Fourni par l'Université Stony Brook