Figure 1. Le photon signal, manipulé par le circuit photonique intégré, crée un qudit 4D représenté par l'ensemble des sphères orange. Pendant ce temps, le photon ralenti, représenté par la sphère bleue, agit comme une télécommande pour le photon signal.
Crédits : Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge et Liang Feng, édités
Des chercheurs ont développé une méthode révolutionnaire de transmission d’informations quantiques à l’aide de particules lumineuses appelées qudits, qui utilisent le mode spatial et les propriétés de polarisation pour permettre un transfert de données plus rapide et plus sûr et une résistance accrue aux erreurs.
Cette technologie pourrait grandement améliorer les capacités d’un Internet quantique, en permettant une communication longue distance sécurisée et en conduisant au développement d’ordinateurs quantiques puissants et d’un cryptage incassable.
Des scientifiques ont réalisé une avancée majeure en créant une nouvelle méthode de transmission d'informations quantiques à l'aide de particules de lumière appelées qudits. Ces qudits promettent un futur Internet quantique à la fois sûr et puissant.
Traditionnellement, l'information quantique est codée sur des qubits, qui peuvent exister dans un état de 0, 1 ou les deux en même temps (superposition). Cette qualité les rend idéaux pour les calculs complexes, mais limite la quantité de données qu'ils peuvent transporter en communication. À l'inverse, les qudits peuvent coder des informations dans des dimensions supérieures, transmettant plus de données en une seule fois.
Qubits contre Qudits
Les qubits et les qudits sont tous deux des unités d'information quantique, mais ils diffèrent principalement par leur capacité à contenir des informations. Un qubit, l'unité de base utilisée dans l'informatique quantiquepeut exister dans deux états simultanément en raison de la superposition quantique, généralement représentée par 0 et 1, comme les bits dans l'informatique classique. Cela lui permet d'effectuer des calculs complexes plus efficacement que les bits classiques.
Les qudits, en revanche, sont une généralisation des qubits et peuvent exister dans d états simultanément, où d > 2. Cette dimensionnalité supérieure permet aux qudits de contenir plus d’informations que les qubits, ce qui peut potentiellement conduire à un traitement de données et à une communication plus efficaces dans les systèmes quantiques, car ils peuvent effectuer des opérations qui nécessiteraient plusieurs qubits avec moins de qudits, augmentant ainsi l’efficacité et réduisant la complexité des algorithmes quantiques.
Exploiter les propriétés de la lumière pour les qudits avancés
Cette nouvelle technique exploite deux propriétés de la lumière – le mode spatial et la polarisation – pour créer des qudits en quatre dimensions. Ces qudits sont construits sur une puce spéciale qui permet une manipulation précise. Cette manipulation se traduit par des taux de transfert de données plus rapides et une résistance accrue aux erreurs par rapport aux méthodes conventionnelles.
L’un des principaux avantages de cette approche est la capacité des qudits à conserver leurs propriétés quantiques sur de longues distances. Cela les rend parfaits pour des applications telles que la communication quantique par satellite, où les données doivent parcourir de grandes distances sans perdre leur intégrité.
Figure 2. (a) Matrices de densité récupérées expérimentalement (rangée supérieure) et prédites théoriquement (rangée inférieure) de deux états quantiques sélectionnés. (b) Matrice de probabilité de détection récupérée théoriquement (panneau de gauche) et expérimentalement (panneau de droite). Crédits : Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge et Liang Feng
Le mécanisme de l'intrication quantique
Le processus commence par la génération d'un état intriqué spécial à l'aide de deux photons. L'intrication est un phénomène où deux particules se lient, partageant le même destin indépendamment de la séparation physique. Dans ce cas, l'une photon (le photon signal) est manipulé sur la puce pour créer un qudit 4D en utilisant son mode spatial et sa polarisation. L'autre photon (photon inactif) reste inchangé et agit comme une télécommande pour le photon signal (Fig. 1).
En manipulant le photon libre, les scientifiques peuvent contrôler l’état du photon signal et encoder des informations sur celui-ci (Fig. 2).
Potentiel futur de la technologie Quantum Qudit
Cette nouvelle méthode a le potentiel de révolutionner le domaine de la communication quantique. Elle ouvre la voie à un Internet quantique à haut débit capable de transmettre de grandes quantités de données de manière sécurisée sur de longues distances. De plus, elle peut conduire au développement de protocoles de chiffrement inviolables et contribuer à la création d’ordinateurs quantiques puissants capables de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques.
Les chercheurs se concentrent actuellement sur l’amélioration de la précision des qudits et en faisant évoluer la technologie pour gérer des dimensions encore plus élevées. Ils pensent que cette approche a le potentiel de révolutionner la communication quantique.
