Les réseaux quantiques, c'est-à-dire les systèmes constitués d'ordinateurs quantiques connectés, de capteurs quantiques ou d'autres dispositifs quantiques, ont le potentiel de permettre des communications plus rapides et plus sûres. La mise en place de ces réseaux repose sur un phénomène quantique appelé intrication, qui implique un lien entre des particules ou des systèmes, l'état quantique de l'un influençant l'autre même lorsqu'ils sont éloignés.
Les qubits atomiques utilisés jusqu'à présent pour établir des réseaux quantiques fonctionnent à une longueur d'onde visible ou ultraviolette, ce qui n'est pas idéal pour la transmission de signaux sur de longues distances via des fibres optiques. Cependant, la conversion de ces signaux en longueurs d'onde de la bande de télécommunications peut réduire l'efficacité de la communication et introduire des signaux indésirables susceptibles de perturber la liaison entre les qubits.
Une équipe de recherche de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, dirigée par le professeur Jacob P. Covey, a récemment réalisé un réseau quantique de longueur d'onde dans la bande de télécommunications utilisant un réseau d'atomes d'ytterbium-171. Leur article, publié dans Physique naturelleintroduit une approche prometteuse pour réaliser un intrication haute fidélité entre atomes et photons optiques générés directement dans la bande de télécommunication.
« Les réseaux de dispositifs quantiques avec intrication partagée présentent de nouvelles opportunités dans la science de l'information quantique », a déclaré Xiye Hu, co-auteur de l'article, à Issues.fr.
« L'ytterbium-171, classiquement utilisé dans les horloges atomiques optiques en raison de son état métastable à longue durée de vie, est devenu un candidat ingénieux dans la communauté des réseaux d'atomes avec de nouvelles applications en calcul quantique et en métrologie. »
Pour réaliser leur réseau quantique, Hu et ses collègues ont exploité les propriétés uniques de 171Réseaux d'atomes Yb, connus pour être prometteurs pour les communications à longue portée. Leur réseau marque une étape importante vers la réalisation d’un réseau de processeurs quantiques pouvant prendre en charge l’informatique distribuée ou d’un réseau quantique d’horloges atomiques pour des applications précises de chronométrage et de détection.
« De l'état métastable dans 171Yb existe une transition modérément large à 1 389 nm, que nous avons utilisée pour réaliser un intrication codée dans le temps entre un seul atome et un photon unique dans la bande de télécommunications avec une haute fidélité », a expliqué Hu.
« En imaginant notre réseau d'atomes unidimensionnels sur un réseau de fibres commerciales, nous avons montré que la collection de photons uniques et la génération ultérieure d'intrication peuvent être parallélisées à travers le réseau. »
Hu et ses collègues ont démontré la faisabilité de leur approche de réseau quantique parallélisé dans une série de tests et ont constaté qu'elle produisait une fidélité d'intrication uniformément élevée et une diaphonie négligeable sur différents sites du réseau. Ils ont ensuite également conçu un « protocole de mise en réseau intermédiaire », un outil qui permet de préserver la cohérence des qubits de données lors des tentatives de mise en réseau.
« Nous avons étudié en détail les facteurs physiques et techniques qui limitent la fidélité de l'intrication atome-photon codée dans le temps, et avons fourni des solutions concrètes pour les améliorer », a déclaré Hu.
« Nous avons montré qu'une fidélité de 99 % est facilement réalisable grâce à des mises à niveau techniques. Deuxièmement, nous avons confirmé que le réseau de fibres n'introduit pas de sources d'erreur supplémentaires susceptibles d'entraver la fidélité de l'enchevêtrement. »
Une caractéristique clé du 171Le réseau d’atomes Yb utilisé par les chercheurs réside dans sa ressemblance géométrique avec un réseau de fibres. Hu et ses collègues pensent que leur réseau pourrait ainsi être utile pour aborder des tâches de parallélisation généralisées (c'est-à-dire des tâches qui peuvent être divisées en sous-tâches plus petites et exécutées simultanément par différents qubits ou appareils dans un réseau).
Les stratégies de conception et le protocole de mise en réseau intermédiaire développés par ces chercheurs pourraient bientôt être utilisés par d’autres équipes de recherche pour réaliser des réseaux quantiques parallélisés. Le protocole s’est avéré très prometteur pour planifier des tâches réseau, tout en préservant la cohérence du calcul ou du stockage sur un seul processeur quantique au sein d’un réseau plus vaste.
« L'une des améliorations les plus substantielles que nous pouvons apporter dans le cadre de nos travaux futurs consiste à passer de l'utilisation d'un objectif à l'utilisation d'une cavité pour la collecte de photons uniques », a déclaré Hu. « Entre autres choses, la cavité améliore considérablement l'efficacité de la collecte, ce qui améliore considérablement le taux de mise en réseau. »
Les chercheurs du Covey Lab conçoivent actuellement une nouvelle expérience sur l’ytterbium de deuxième génération visant à réaliser une communication à haut débit et longue distance au sein d’un réseau quantique. Dans cette expérience, l’équipe prévoit de placer son réseau d’atomes à l’intérieur d’une cavité confocale macroscopique recouverte pour la transition de 1 389 nm.
« L'intrication atome-photon codée dans le temps démontrée dans le cadre de nos travaux récents sera également étendue à terme pour réaliser une intrication atome-atome à distance, soit entre deux atomes dans un seul appareil, soit entre deux atomes dans deux appareils différents », a ajouté Hu.
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
