Les chercheurs reconnaissent depuis longtemps que les systèmes de communication quantique transmettraient des informations quantiques plus fidèlement et seraient imperméables à certaines formes d'erreur si des processus optiques non linéaires étaient utilisés. Cependant, les efforts passés pour incorporer ces processus ne pouvaient pas fonctionner avec les niveaux de lumière extrêmement faibles requis pour la communication quantique.
Maintenant, une équipe de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign a amélioré la technologie en basant le processus non linéaire sur une plate-forme nanophotonique à phosphotonique indium-gallium. Le résultat est sensiblement plus efficace que les systèmes antérieurs, ce qui signifie qu'il nécessite beaucoup moins de lumière et fonctionne jusqu'à des photons uniques, la plus petite unité de lumière. Pour la première fois, il y a un chemin vers l'avant vers la fabrication de systèmes de communication quantique avec l'optique non linéaire possible.
« Notre système non linéaire transmet des informations quantiques avec une fidélité à 94%, par rapport à la limite théorique de 33% sur les systèmes utilisant des composants optiques linéaires », a déclaré Kejie Fang, professeur de l'ingénierie électrique et informatique de l'Illinois et le chef du projet. « Cela démontre à lui seul la puissance de la communication quantique avec l'optique non linéaire. Le gros problème à résoudre est l'efficacité. En utilisant une plate-forme nanophotonique, nous avons vu l'efficacité augmenter de suffisamment pour montrer que la technologie est prometteuse. »
Cette recherche a été récemment publiée dans la revue Lettres d'examen physique.
La transmission des informations quantiques sur les réseaux est facilitée par le protocole de téléportation quantique. Dans ce document, le phénomène de l'enchevêtrement quantique – dans lequel deux objets quantiques, généralement des photons uniques, s'influencent mutuellement même lorsqu'il n'y a pas de connexion physique apparente entre eux – est exploité pour transférer des informations quantiques entre un expéditeur et un récepteur sans les transmettre via un canal de communication. L'avantage de cette procédure est que les influences du bruit externe et des imperfections des canaux sont grandement atténuées.
Il y a deux facteurs qui limitent les performances de la téléportation quantique. Premièrement, l'utilisation de composants optiques linéaires standard introduit des ambiguïtés inhérentes dans la transmission. Deuxièmement, les photons enchevêts sont fabriqués avec un processus imparfait soumis à des erreurs et à un bruit excessif. En particulier, il est courant que des sources d'intrication de produire plus d'une seule paire de photons à la fois, ce qui ne sait pas si les deux utilisés dans la téléportation sont vraiment enchevêtrés.
« Le bruit multiphoton se produit dans toutes les sources d'intrication réalistes, et c'est un problème grave pour les réseaux quantiques », a déclaré Elizabeth Goldschmidt, professeur de physique de l'Illinois et co-auteur de l'étude. « L'attrait de l'optique non linéaire est qu'elle peut atténuer l'effet du bruit multiphoton en vertu de la physique sous-jacente, ce qui permet de travailler avec des sources d'intrication imparfaites. »
Les composants optiques non linéaires font que les photons de différentes fréquences combinent et créent de nouveaux photons à de nouvelles fréquences. Pour la téléportation quantique, le processus non linéaire utilisé est la «génération de fréquences de somme» (SFG), dans laquelle les fréquences de deux photons ajoutent pour former un nouveau photon. Cependant, les deux photons d'origine doivent avoir des fréquences de départ spécifiques pour que le processus se produise.
Lorsque le SFG est utilisé dans la téléportation quantique, le protocole ne se déroule pas si deux photons de la même fréquence sont détectés. Cela filtre le type principal de bruit dans la plupart des sources de photons enchevêtrés et permet des fidélités de téléportation beaucoup plus élevées que ce qui serait possible autrement. L'inconvénient principal est qu'une conversion SFG se produit avec une très faible probabilité, ce qui rend le processus de téléportation très inefficace.
« Les chercheurs le savent depuis longtemps, mais il n'a pas été entièrement exploré en raison de la faible probabilité de succès SFG », a déclaré Fang. « Dans le passé, le meilleur qui a été réalisé est de 1 sur 100 millions. Notre réalisation consiste à réaliser un facteur de 10 000 efficacité de conversion accrue à 1 sur 10 000 avec une plate-forme nanophotonique. »
Les chercheurs sont optimistes qu'avec un développement ultérieur, la téléportation quantique avec des composants optiques non linéaires peut être rendue encore plus efficace. Ils croient qu'il trouvera une utilisation dans d'autres protocoles de communication quantique, y compris l'échange d'intrication.
