Un échange de lumière

Une porte quantique entre atomes et photons pourrait aider à améliorer les ordinateurs quantiques.

Les ordinateurs quantiques du futur seront capables de faire des calculs que nos ordinateurs actuels ne peuvent accomplir. Ils pourraient notamment casser le cryptage actuellement utilisé pour les transactions électroniques sécurisées ou trouver le moyen de résoudre efficacement les problèmes complexes dont le nombre de solutions possibles augmente de manière exponentielle. À l’Institut Weizmann des Sciences, les recherches du laboratoire d’optique quantique du Professeur Barak Dayan pourraient nous rapprocher du développement de tels ordinateurs en apportant les « portes quantiques » requises pour la communication interne et externe entre les ordinateurs quantiques.

À l’inverse des bits électroniques actuels qui ne peuvent exister que dans deux états possibles – zéro ou un – les bits quantiques, appelés qubits, peuvent se trouver dans un autre état correspondant à zéro et à un en même temps. C’est ce qu’on appelle la superposition quantique et c’est ce qui donne un avantage aux qubits : l’ordinateur qui les utiliserait pourrait accomplir de nombreux calculs en parallèle.

Il n’existe qu’un seul piège : l’état de superposition quantique ne peut exister que s’il n’est ni observé  ni mesuré d’une quelconque manière par le monde extérieur, sinon tous les états possibles s’effondrent en un seul état. Cela nécessite donc des conditions contradictoires : pour que les qubits puissent exister dans différents états à la fois, ils ont besoin d’être isolés mais ils doivent aussi interagir et communiquer avec les autres qubits. C’est pourquoi, bien que de nombreux laboratoires et entreprises du monde entier aient démontré que les ordinateurs quantiques pouvaient exister à petite échelle – une dizaine de qubits – le défi à relever pour atteindre l’échelle nécessaire de millions de qubits fait face à des obstacles scientifiques et technologiques majeurs. 

Le Professeur Dayan et son équipe ont réussi à créer une porte logique dans laquelle un photon et un atome échangent automatiquement de l’information

Une solution prometteuse est l’utilisation de modules isolés comprenant un petit nombre de qubits faciles à maneuvrer qui peuvent communiquer entre eux via des liens optiques. L’information stockée dans un qubit matériel (c’est-à-dire un seul atome ou ion) serait transférée à un « qubit mobile » – une particule unique de lumière appelée photon. Ce photon peut être envoyé via des fibres optiques à un qubit matériel éloigné et transférer son information sans que l’environnement ne ressente la nature de celle-ci. Le défi de la création d’un tel système est que des photons isolés portent de très petites quantités d’énergie et que les minuscules systèmes comprenant les qubits matériels n’interagissent généralement pas de façon significative avec si peu de lumière.

Le laboratoire d’optique quantique du Professeur Dayan de l’Institut Weizmann des Sciences est l’un des seuls groupes au monde à se concentrer uniquement sur ce défi scientifique. Leur installation expérimentale est composée d’atomes uniques couplés à des résonateurs micrométriques en silicium sur des puces ; les photons sont envoyés directement à travers des fibres optiques particulières. Lors d’expériences précédentes, le Professeur Dayan et son équipe ont démontré que leur système était capable de fonctionner comme un interrupteur activé par un seul photon et aussi une manière de prélever un seul photon d’un flash lumineux. Dans cette étude, publiée dans Nature Physics, le Professeur Dayan et son équipe ont créé pour la première fois une porte logique dans laquelle un photon et un atome échangent automatiquement l’information qu’ils portent.

Le Professeur Barak Daran et son équipe du laboratoire d’optique quantique. De gauche à droite : Gabi Guendelman, Dor Korn, Niv Drucker, Tal Ohana, le Professeur Barak Dayan, Moran Netser, Ziva Aqua, Ori Mor et le Docteur Adrien Borne

 

« Le photon et l’atome portent chacun un qubit, » dit le Professeur Dayan. « Chaque fois que le photon et l’atome se rencontrent, ils échangent automatiquement et simultanément leurs qubits et le photon continue ensuite son chemin, avec le nouveau bit d’information. En mécanique quantique, l’information ne peut être ni copiée ni effacée, donc cet échange d’information est en fait l’unité de base de lecture et d’écriture – la porte native de la communication quantique. »

Ce type de porte logique – une porte SWAP – peut être utilisée pour échanger des qubits au sein d’un ordinateur mais aussi avec d’autres ordinateurs. Puisque cette porte n’a pas besoin de champs de contrôle ou de système de gestion extérieurs, elle permet la construction de l’équivalent quantique de réseaux d’intégration à très grande échelle (réseaux VLSI). « La porte SWAP s’applique à la communication photonique entre tout type de qubit basé sur la matière – pas seulement sur les atomes, » dit le Professeur Dayan. « Nous croyons ainsi que ceci va constituer un bloc de construction essentiel pour la prochaine génération de systèmes informatiques quantiques. »

Les recherches du Professeur Dayan sont financées par le Centre pour la Photonique Crown et la Fondation Edmond de Rothschild.