Un moyen plus simple de connecter des ordinateurs quantiques

Un nouveau dispositif atomique envoie des informations quantiques haute fidélité sur des réseaux de fibres optiques

Université de Princeton, école d'ingénieurs

image : Des chercheurs de l'Université de Princeton ont créé une nouvelle façon de relier des ordinateurs quantiques à des signaux haute fidélité en utilisant des longueurs d'onde de lumière dans la bande de télécommunications.Voir plus

Crédit : Photo de Sameer A. Khan/Fotobuddy

Les chercheurs disposent d’un nouveau moyen de connecter des appareils quantiques sur de longues distances, une étape nécessaire pour permettre à la technologie de jouer un rôle dans les futurs systèmes de communication.

Alors que les signaux de données classiques d’aujourd’hui peuvent être amplifiés à travers une ville ou un océan, les signaux quantiques ne le peuvent pas. Ils doivent être répétés à intervalles réguliers, c'est-à-dire arrêtés, copiés et transmis par des machines spécialisées appelées répéteurs quantiques. De nombreux experts estiment que ces répéteurs quantiques joueront un rôle clé dans les futurs réseaux de communication, en permettant une sécurité renforcée et en permettant des connexions entre ordinateurs quantiques distants.

L'étude de Princeton, publiée le 30 août dans Nature, détaille les bases d'une nouvelle approche de construction de répéteurs quantiques. Il envoie une lumière adaptée aux télécommunications émise par un seul ion implanté dans un cristal. Cet effort a pris de nombreuses années, selon Jeff Thompson, l'auteur principal de l'étude. Les travaux combinaient les progrès de la conception photonique et de la science des matériaux.

D’autres modèles de répéteurs quantiques de pointe émettent de la lumière dans le spectre visible, qui se dégrade rapidement sur la fibre optique et doit être convertie avant de parcourir de longues distances. Le nouveau dispositif est basé sur un seul ion de terre rare implanté dans un cristal hôte. Et comme cet ion émet de la lumière à une longueur d’onde infrarouge idéale, il ne nécessite aucune conversion de signal, ce qui peut conduire à des réseaux plus simples et plus robustes.

Le dispositif comporte deux parties : un cristal de tungstate de calcium dopé avec seulement une poignée d'ions erbium et un morceau nanoscopique de silicium gravé dans un canal en forme de J. Pulsé par un laser spécial, l'ion émet de la lumière à travers le cristal. Mais le morceau de silicium, un morceau de semi-conducteur collé sur le dessus du cristal, attrape et guide les photons individuels vers le câble à fibre optique.

Idéalement, ce photon serait codé avec les informations provenant de l'ion, a déclaré Thompson. Ou plus précisément, d’une propriété quantique de l’ion appelée spin. Dans un répéteur quantique, la collecte et l'interférence des signaux provenant de nœuds distants créeraient un enchevêtrement entre leurs spins, permettant une transmission de bout en bout des états quantiques malgré les pertes en cours de route.

L'équipe de Thompson a commencé à travailler avec les ions erbium plusieurs années auparavant, mais les premières versions utilisaient des cristaux différents qui abritaient trop de bruit. En particulier, ce bruit provoquait un saut aléatoire de la fréquence des photons émis dans un processus appelé diffusion spectrale. Cela a évité les délicates interférences quantiques nécessaires au fonctionnement des réseaux quantiques. Pour résoudre ce problème, son laboratoire a commencé à travailler avec Nathalie de Leon, professeure agrégée de génie électrique et informatique, et Robert Cava, éminent scientifique des matériaux solides et professeur de chimie Russell Wellman Moore de Princeton, pour explorer de nouveaux matériaux susceptibles d'héberger un seul matériau. ions erbium avec beaucoup moins de bruit.

Ils ont trié la liste des matériaux candidats de centaines de milliers à quelques centaines, puis quelques dizaines, puis trois. Chacun des trois finalistes a mis six mois pour tester. Le premier élément s’est avéré pas assez clair. La seconde a donné à l’erbium de mauvaises propriétés quantiques. Mais le troisième, le tungstate de calcium, était parfait.

Pour démontrer que le nouveau matériau est adapté aux réseaux quantiques, les chercheurs ont construit un interféromètre dans lequel les photons empruntent de manière aléatoire l'un des deux chemins suivants : un chemin court de plusieurs mètres de long ou un chemin long de 22 miles (constitué de fibres optiques en bobine). fibre). Les photons émis par l'ion peuvent suivre le chemin long ou le chemin court, et environ la moitié du temps, des photons consécutifs empruntent des chemins opposés et arrivent à la sortie en même temps.