Dans le cadre de recherches qui pourraient relancer les travaux vers l'Internet quantique, des chercheurs du MIT et de l'Université de Cambridge ont construit et testé un appareil extrêmement petit qui pourrait permettre un flux rapide et efficace d'informations quantiques sur de grandes distances.
La clé du dispositif est une « micropuce » constituée de diamant dans laquelle certains atomes de carbone du diamant sont remplacés par des atomes d’étain. Les expériences de l'équipe indiquent que le dispositif, composé de guides d'ondes permettant à la lumière de transporter les informations quantiques, résout un paradoxe qui a bloqué l'arrivée de grands réseaux quantiques évolutifs.
Les informations quantiques sous forme de bits quantiques, ou qubits, sont facilement perturbées par le bruit ambiant, comme les champs magnétiques, qui détruisent les informations. D’une part, il est souhaitable d’avoir des qubits qui n’interagissent pas fortement avec l’environnement. D'un autre côté, cependant, ces qubits doivent interagir fortement avec la lumière, ou les photons, essentiels au transport des informations sur de longues distances.
Les chercheurs du MIT et de Cambridge permettent les deux en co-intégrant deux types différents de qubits qui fonctionnent en tandem pour sauvegarder et transmettre des informations. De plus, l'équipe signale une grande efficacité dans le transfert de ces informations.
"Il s'agit d'une étape cruciale car elle démontre la faisabilité de l'intégration de qubits électroniques et nucléaires dans une micropuce. Cette intégration répond à la nécessité de préserver les informations quantiques sur de longues distances tout en maintenant une forte interaction avec les photons. Cela a été possible grâce à la combinaison des atouts de les équipes de l'Université de Cambridge et du MIT", déclare Dirk Englund, professeur agrégé au Département de génie électrique et d'informatique (EECS) du MIT et chef de l'équipe du MIT. Englund est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.
Le professeur Mete Atatüre, chef de l'équipe de Cambridge, déclare :« Les résultats sont le résultat d'un fort effort de collaboration entre les deux équipes de recherche au fil des années. C'est formidable de voir la combinaison de la prédiction théorique, de la fabrication de dispositifs et de la mise en œuvre de de nouveaux contrôles optiques quantiques en un seul ouvrage."
Le travail a été publié dans Nature Photonics .
Un bit d'ordinateur peut être considéré comme n'importe quoi ayant deux états physiques différents, tels que « activé » et « désactivé », pour représenter zéro et un. Dans le monde étrange et ultra-petit de la mécanique quantique, un qubit "a la propriété supplémentaire qu'au lieu d'être dans un seul de ces deux états, il peut être dans une superposition des deux états. Il peut donc être dans ces deux états". en même temps", explique Martínez. Plusieurs qubits intriqués ou corrélés les uns aux autres peuvent partager beaucoup plus d’informations que les bits associés à l’informatique conventionnelle. D'où la puissance potentielle des ordinateurs quantiques.
Il existe de nombreux types de qubits, mais deux types courants sont basés sur le spin, ou la rotation d'un électron ou d'un noyau (de gauche à droite ou de droite à gauche). Le nouveau dispositif implique à la fois des qubits électroniques et nucléaires.
Un électron en rotation, ou qubit électronique, est très efficace pour interagir avec l’environnement, alors que le noyau en rotation d’un atome, ou qubit nucléaire, ne l’est pas. "Nous avons combiné un qubit bien connu pour interagir facilement avec la lumière avec un qubit bien connu pour être très isolé, et donc conserver les informations pendant longtemps. En combinant ces deux-là, nous pensons pouvoir tirer le meilleur parti de les deux mondes", déclare Martínez.
Comment ça marche? "L'électron [qubit électronique] qui circule dans le diamant peut rester coincé au niveau du défaut d'étain", explique Harris. Et ce qubit électronique peut alors transférer ses informations au noyau d'étain en rotation, le qubit nucléaire.
"L'analogie que j'aime utiliser est celle du système solaire", poursuit Harris. "Vous avez le soleil au milieu, c'est le noyau d'étain, puis la Terre qui le contourne, et c'est l'électron. Nous pouvons choisir de stocker l'information dans le sens de rotation de la Terre, c'est notre qubit électronique. Ou nous pouvons stocker les informations dans la direction du soleil, qui tourne autour de son propre axe, c'est le qubit nucléaire."
En général, la lumière transporte les informations via une fibre optique jusqu'au nouveau dispositif, qui comprend un empilement de plusieurs minuscules guides d'ondes en diamant, chacun environ 1 000 fois plus petit qu'un cheveu humain. Plusieurs appareils pourraient alors agir comme des nœuds contrôlant le flux d’informations dans l’Internet quantique.
Le travail décrit dans Nature Photonics implique des expériences avec un seul appareil. "Mais à terme, il pourrait y en avoir des centaines, voire des milliers, sur une puce électronique", explique Martínez. Dans une étude de 2020 publiée dans Nature , des chercheurs du MIT, dont plusieurs des auteurs actuels, ont décrit leur vision de l'architecture qui permettra l'intégration à grande échelle des appareils.
Harris note que ses travaux théoriques avaient prédit une forte interaction entre le noyau d’étain et le qubit électronique entrant. "C'était dix fois plus grand que ce à quoi nous nous attendions, alors j'ai pensé que le calcul était probablement erroné. Ensuite, l'équipe de Cambridge est venue et l'a mesuré, et c'était intéressant de voir que la prédiction était confirmée par l'expérience."
Martínez convient :"La théorie et les expériences nous ont finalement convaincus que [ces interactions] se produisaient réellement."
Plus d'informations : Ryan A. Parker et al, Une interface nanophotonique en diamant avec un registre de spin électronucléaire déterministe optiquement accessible, Nature Photonics (2023). DOI : 10.1038/s41566-023-01332-8
Informations sur le journal : Photonique naturelle , Nature
Fourni par le laboratoire de recherche sur les matériaux du Massachusetts Institute of Technology
