Les technologies quantiques, qui exploitent les effets mécaniques quantiques pour traiter les informations, pourraient surpasser leurs homologues classiques dans certaines tâches complexes et avancées. Le développement et le déploiement du monde réel de ces technologies repose en partie sur la capacité de transférer efficacement les informations entre différents types de systèmes quantiques.
Un défi de longue date dans le domaine de la technologie quantique consiste à convertir les signaux quantiques portés par des photons micro-ondes (c'est-à-dire, des particules de rayonnement électromagnétique dans la gamme de fréquences micro-ondes) en photons optiques (c'est-à-dire, des particules légères visibles ou presque visibles). Les appareils conçus pour effectuer cette conversion sont appelés transducteurs micro-ondes à optique.
Des chercheurs du California Institute of Technology ont récemment développé un nouveau transducteur micro-ondes à optique basé sur des cristaux dopés à l'ion rare. Leur transducteur sur puce, décrit dans un article publié dans Physique de la naturea été implémenté en utilisant des ions ytterbium-171 dopés dans un YVO4 cristal.
« Dans le contexte des technologies quantiques, la vision est qu'un jour nous aurons des ordinateurs quantiques interconnectés dans un Internet quantique, similaire à l'infrastructure classique et de communication actuelle », a déclaré Andrei Faraon, auteur principal du journal, à Issues.fr.
« L'une des principales technologies de calcul quantique est basée sur des qubits supraconducteurs, il y a donc des efforts pour essayer de connecter ces ordinateurs via des fibres optiques qui peuvent transmettre des informations quantiques à température ambiante et sur de longues distances. »
Le fonctionnement des qubits supraconducteurs est soutenu par des photons uniques avec des fréquences de quelques gigahertz. La conception de transducteurs qui peuvent convertir de manière fiable ces photons en photons optiques, qui se déplacent plus facilement dans les fibres optiques, est un défi clé au sein de la technologie quantique.
« La plupart des technologies pour y parvenir reposent sur des systèmes optiques non linéaires qui sont couplés aux résonateurs optiques et micro-ondes », a déclaré Faraon. « Certains travaux précédents ont suggéré que les cristaux dopés des atomes pourraient servir de système non linéaire qui effectue cette conversion, ou transduction. Notre laboratoire avait une expertise dans le travail avec des atomes (ou des ions) de la Terre rare dopé dans des cristaux, nous avons donc décidé de voir si elles peuvent effectivement effectuer une transduction efficace. »
Faraon et ses collègues ont initialement essayé de développer des transducteurs micro-ondes à optique utilisant des atomes d'erbium, mais les efficacités qu'ils ont obtenues étaient faibles. Les chercheurs ont donc décidé de passer aux ions Ytterbium 171 dans l'orthovanadate d'yttrium, qui a fini par être très efficace pour coupler les photons micro-ondes et les photons optiques, ce qui donne une efficacité plus élevée. Le couplage qu'ils ont observé était si bon qu'ils pouvaient atteindre de bonnes efficacités même sans avoir besoin d'ingénierie des résonateurs optiques.
« Nous avons commencé avec un substrat de cristal, environ un demi-millimètre d'épaisseur, dopé avec des ions rare-terrains », a expliqué Tian Xie, co-pri-premier auteur du journal. « Sur sa surface supérieure, nous avons modelé un résonateur micro-ondes supraconducteur qui parle de milliards de tours de dopant à l'intérieur du cristal. La surface arrière obtient un miroir en or mince pour améliorer la collection de photons optiques. »
Le principal avantage du transducteur développé par Faraon, Xie et leurs collègues est que son grand ensemble de spin sous-jacent forme un « non linéarité » ultra-fort intrinsèque, qui est généralement plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux formés dans d'autres matériaux conventionnels. Comme cet ensemble est intégré au matériau lui-même, l'appareil reste simple, compact et facile à refroidir, ce qui minimise le bruit ajouté.
« Une autre caractéristique est que les fréquences de fonctionnement sont définies par les niveaux d'énergie atomique, conduisant à des fréquences optiques et micro-ondes appariées automatiquement entre les appareils », a déclaré Xie. « Cette uniformité est cruciale pour les futurs réseaux quantiques, où des photons indiscernables sont nécessaires pour créer un enchevêtrement entre les nœuds quantiques distants. »
Dans les expériences initiales, les chercheurs ont pu mesurer directement le bruit dans leur transducteur atomique à l'état solide pour la première fois. De plus, ils ont constaté que ce bruit était étonnamment bas.
« Le transducteur ajoute uniquement un seul photon de bruit, et nous avons pu retracer chaque contribution à sa source », a déclaré Rikuto Fukumori, co-prime auteur du journal. « Ce qui est excitant, c'est qu'il y a de la place pour pousser davantage le bruit plus bas, peut-être être dans le régime quantique. Frapper ce niveau supprimerait un obstacle clé pour les processeurs quantiques évolutifs et les réseaux quantiques à longue distance. »
Le nouveau transducteur développé par Faraon, Xie, Fukumori et leurs collègues pourraient bientôt être améliorés davantage et pourraient être utilisés pour connecter de manière fiable les futurs réseaux quantiques. Dans le cadre de leurs prochaines études, les chercheurs souhaitent également connecter une seule source de micro-ondes de photons à leur transducteur, car cela leur permettrait de démontrer la transduction de photons uniques.
« Cette source est composée de certains bits quantiques supraconducteurs et d'autres dispositifs supraconducteurs », a ajouté Faraon. « Une autre direction pour les recherches futures sera d'améliorer l'efficacité de l'appareil et de réduire le bruit, que nous faisons en étudiant de nouveaux matériaux avec une concentration plus élevée de Ytterbium et en améliorant la conception.
« Nous espérons que dans quelques années, nous montrerons un enchevêtrement à distance des qubits supraconducteurs en utilisant cette technologie de transduction, et nous interconnecterons les futurs ordinateurs quantiques supraconducteurs. »
