Effets de la mécanique quantique, y compris l'intrication de deux particules (un phénomène dans lequel des états séparés
Deux groupes indépendants de chercheurs ont annoncécréer des sources de photons uniques nécessaires à la transmission de données dans un réseau quantique. Des chercheurs allemands de l'Institut Max Planck d'optique quantique et de l'Université technique de Munich ont utilisé des atomes d'erbium intégrés dans un cristal de silicium, qui produisent de la lumière avec une fréquence correspondant aux réseaux de communication modernes.
Et des ingénieurs du Massachusetts Institute of TechnologyL’institut utilise des nanocristaux de pérovskite, dont la production est facile à mettre à l’échelle. Cependant, ils ne nécessitent pas de refroidissement extrême et peuvent fonctionner à température ambiante.
Qu'est-ce qu'un réseau quantique ?
Les ordinateurs quantiques pourraient théoriquement fonctionnerdes problèmes qui ne peuvent être résolus même sur les supercalculateurs les plus puissants du monde. Ils peuvent être utilisés pour modéliser les propriétés des matériaux et des systèmes complexes. Mais pour obtenir des résultats véritablement significatifs, nous avons besoin d’un moyen efficace de connecter les nœuds d’information quantique : des processeurs quantiques distribués.
Parce que les ordinateurs quantiques sont fondamentalementdiffèrent des méthodes classiques, les méthodes habituelles utilisées pour transmettre l'information ne leur sont pas directement applicables. L'information quantique est plus complexe : au lieu de stocker uniquement la valeur 0 ou 1, comme dans les ordinateurs classiques, un qubit peut prendre simultanément les valeurs 0 et 1 (phénomène appelé superposition).
La solution idéale est un réseau quantique -une connexion dans laquelle les qubits d’informations sont directement échangés tout en conservant les propriétés mécaniques quantiques. Un réseau quantique relie les nœuds de traitement à l’aide de photons qui passent par des interconnexions spéciales appelées guides d’ondes.
L'avantage de cette connexion est queLes appareils quantiques communiquent directement, permettant un traitement des données plus rapide. De plus, de tels réseaux peuvent être utilisés pour une transmission sécurisée de données : dès qu’un attaquant tente d’intercepter les informations « codées » en photons, les propriétés quantiques des particules seront perdues et les données deviendront inutilisables.
Atomes d'erbium dans un cristal de silicium
Résonateur quantique à base de cristal de silicium. Image : MCQST
Les ingénieurs allemands ont développé des optiquesrésonateur pour réseaux quantiques basé sur un cristal de silicium dopé avec des atomes d'erbium. Ce développement fait suite à des recherches antérieures du même groupe visant à intégrer des atomes de terres rares individuels dans du silicium cristallin à une température relativement basse (environ 500 °C) pour garantir qu'un grand nombre d'atomes d'erbium ne se regroupent pas dans le réseau de silicium.
Dans une nouvelle étude dont les résultatspublié dans la revue Optica, les chercheurs ont montré qu'en utilisant de tels cristaux, il est possible de générer des photons uniques dotés des propriétés souhaitées. Les atomes d'erbium placés dans un cristal de silicium possèdent d'excellentes propriétés optiques, notent les auteurs de l'étude. Ils émettent de la lumière d'une longueur d'onde de 1536 nm. Ceci est presque identique à la lumière utilisée pour transmettre des données dans les réseaux à fibre optique classiques.
Les ingénieurs ont développé un résonateur dopéerbium, qui diffère des conceptions conventionnelles en ce qu'il ne contient pas de miroirs. Au lieu de cela, un motif régulier de trous de taille nanométrique dans le silicium cristallin est utilisé. Cela signifie que l’ensemble du résonateur ne mesure que quelques microns de long et ne contient que quelques dizaines d’atomes d’erbium. En connectant un résonateur à une fibre optique et en excitant les atomes avec un laser, les chercheurs ont démontré la capacité d'émettre des photons individuels présentant les caractéristiques souhaitées.
Les chercheurs notent deux avantages principaux,ce qui, selon eux, fait du silicium dopé à l’erbium « un candidat idéal pour la construction de réseaux quantiques ». Premièrement, il est basé sur un matériau classique largement utilisé dans la production de semi-conducteurs, ce qui signifie que la création à grande échelle des composants nécessaires ne nécessitera pas la création de nouvelles installations de production complexes.
Et deuxièmement, le système fonctionne relativementtempérature élevée (pour les technologies quantiques) - environ 8 K (-265 ° C). Contrairement aux systèmes fonctionnant près du zéro absolu, de telles conditions sont plus faciles à créer en refroidissant dans un cryostat avec de l'hélium liquide.
Les pérovskites comme sources de photons uniques
Nanocristaux de pérovskite. Image : MIT
Des chercheurs du MIT proposent une alternativematériel pour créer des réseaux quantiques - pérovskites. Ce matériau est déjà largement reconnu comme une alternative potentielle au silicium dans les cellules solaires. Dans une étude publiée dans la revue Nature Photonics, des ingénieurs ont montré qu'ils pouvaient également générer un flux de photons identiques.
Pour leurs recherches, les physiciens ont utilisénanoparticules de pérovskite plomb-halite. Les cellules solaires utilisent des films minces de ce matériau et, sous forme de nanoparticules, elles ont des taux d'émission cryogéniques incroyablement élevés, ce qui les distingue des autres nanoparticules semi-conductrices colloïdales. Plus la lumière est émise rapidement, plus il est probable que le signal de sortie ait une fonction d’onde bien définie, nécessaire aux réseaux quantiques.
Pour vérifier que les photons sontgénérer, avoir réellement les propriétés souhaitées, les chercheurs ont effectué un test standard. Elle consiste à détecter un type particulier d'interférence entre deux photons, l'effet Hong-Wu-Mandel. Les résultats de l'expérience ont confirmé que la source émet de la lumière quantique.
Les chercheurs notent que jusqu'à présent, l'installation n'a pasest parfait et fonctionne avec les interférences, mais ils sont convaincus que cela peut être surmonté en plaçant des pérovskites dans une cavité optique - un effet qui fonctionne avec d'autres matériaux.
Dans le même temps, les chercheurs notent l'avantagetechnologie dans la facilité de production. « La raison pour laquelle les autres sources sont cohérentes est qu’elles sont fabriquées à partir des matériaux les plus purs et un par un, atome par atome. Nous avons donc une très mauvaise évolutivité et une très mauvaise reproductibilité », explique Alexander Kaplan, co-auteur de l’étude. En revanche, les nanoparticules de pérovskite sont fabriquées en solution et simplement déposées sur un matériau support. De plus, ces sources fonctionnent à température ambiante et ne nécessitent pas de refroidissement.
Les deux technologies proposées ne sont pas encoreune solution toute faite pour construire des réseaux quantiques. Mais c’est un pas dans la bonne direction. Le fait que différents groupes de chercheurs du monde entier développent des technologies alternatives et tentent de trouver une solution relativement bon marché et facile à mettre à l’échelle suggère que les réseaux quantiques pourraient bientôt devenir une réalité.
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Image de couverture : C. Hohmann, MCQST