Ordinateurs quantiques : les qudits, pièce manquante du puzzle ?

Alors que les bits classiques des ordinateurs ne catégorisent les données qu’en 0 ou 1, les bits quantiques, ou qubits, peuvent détenir des valeurs de 0, 1 ou les deux simultanément. Moins connus, les qudits, cousins des qubits, présentent plusieurs avantages. Ils peuvent transporter davantage d’informations et sont plus résistants au bruit pouvant provoquer la perte d’informations des qubits.

Cependant, les qudits ont historiquement été difficiles à mesurer et à modifier pour les scientifiques. Pour résoudre ce problème, des chercheurs ont mis au point une méthode de mesure des qudits encodés dans des sources lumineuses avec plus de précision que ce qui était possible auparavant.

L’impact

Exploiter la puissance des qudits améliorerait les performances de multiples technologies quantiques. Il s’agit notamment des réseaux quantiques, qui utilisent des photons pour partager des informations sur de longues distances. Une autre technologie est celle de la distribution quantique de clés, qui transmet des données en utilisant des « verrous » et « clés » numériques dérivés de la mécanique quantique.

À terme, les qudits pourraient jouer un rôle important dans la création d’un éventuel internet quantique capable de distribuer des informations quantiques à grande échelle.

En résumé

L’expérience menée par une équipe de chercheurs du Oak Ridge National Laboratory (ORNL), de l’Université Purdue, de l’Université du Roi Saoud, de l’École polytechnique fédérale de Zurich et de Torch Technologies a commencé par faire passer un laser dans un dispositif appelé microrésonateur en anneau pour générer des paires de bins de fréquence.

Il s’agit de deux qudits sous forme de photons intriqués dans leurs fréquences.

L’intrication fait référence à une paire de particules qui restent intrinsèquement connectées indépendamment de la distance physique qui les sépare. Au lieu de s’appuyer sur une porte quantique, un type de circuit quantique souvent utilisé dans la recherche en informatique quantique, les chercheurs ont utilisé un modulateur de phase électro-optique, qui mélange diverses fréquences lumineuses, et un façonneur d’impulsions ( pulse shaper ), qui peut modifier le rythme de ces fréquences.

En effectuant ces opérations de manière aléatoire, ils ont capturé un nombre important de corrélations de fréquences différentes. Les chercheurs ont ensuite développé un outil d’analyse de données basé sur une méthode statistique appelée inférence bayésienne et ont effectué des simulations sur les ressources informatiques d’ORNL pour remonter à l’origine et déduire quels états quantiques avaient produit les corrélations de fréquences mesurées.

L’équipe se prépare déjà pour de futures expériences en perfectionnant leur méthode de mesure. En combinaison avec les réseaux de fibres optiques existants, cette technique pourrait faciliter des tests complets de téléportation, ainsi que d’intrication par échange, qui consiste à intriquer intentionnellement deux particules auparavant non reliées.

En synthèse

Cette recherche ouvre la voie à une meilleure compréhension et utilisation des qudits, cousins quantiques prometteurs des qubits, pour le développement de technologies quantiques avancées comme les réseaux quantiques ou la distribution quantique de clés. Bien que difficiles à mesurer par le passé, les qudits pourraient jouer un rôle clé dans un futur internet quantique grâce à la nouvelle méthode de mesure de précision mise au point. Des expériences complémentaires sont prévues pour perfectionner cette approche.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un qudit ? Un qudit est un cousin quantique d’un qubit qui peut encoder plus d’informations. Alors qu’un qubit n’a que deux états (0 et 1), un qudit peut en avoir plusieurs (0, 1, 2, 3, etc.). Cela lui permet de transporter davantage de données.

En quoi cette recherche est-elle importante ? Elle ouvre la voie à une meilleure compréhension et utilisation des qudits pour le développement de technologies quantiques avancées. Les qudits pourraient notamment jouer un rôle clé dans un futur internet quantique.

Comment les chercheurs ont-ils mesuré les qudits ? Ils ont utilisé un modulateur de phase électro-optique et un pulse shaper pour capturer un grand nombre de corrélations entre les fréquences des qudits. Ils ont ensuite développé un outil d’analyse statistique pour déduire les états quantiques à l’origine des corrélations.

Quelles suites à cette recherche ? Des expériences complémentaires sont prévues pour perfectionner la méthode de mesure des qudits. Celle-ci pourrait être utilisée avec les réseaux de fibres optiques existants pour tester des technologies comme la téléportation quantique.

Qu’est-ce que l’intrication quantique ? L’intrication désigne deux particules quantiquement liées, quelle que soit la distance les séparant. Modifier l’état quantique de l’une modifiera instantanément celui de l’autre. C’est un phénomène clé pour certaines technologies quantiques.

Comment cette découverte pourrait-elle impacter notre quotidien ? Bien que loin d’applications concrètes à l’heure actuelle, mieux comprendre et utiliser les qudits pourrait à terme mener au développement de technologies quantiques révolutionnant nos communications et la sécurité des données.

Illustration image principale : Le résonateur à microring, représenté ici en boucle fermée, a généré des paires de photons. Les chercheurs ont examiné ces photons en manipulant les phases des différentes fréquences, ou couleurs, de la lumière et en mélangeant les fréquences, comme le montrent les lignes multicolores entrecroisées. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation du Laboratoire national d’Oak Ridge

Publications : Lu, HH. et al, Tomographie bayésienne de peignes de fréquence biphotoniques à haute dimension sur puce avec mesures aléatoires. Nature Communications 13, 4338 (2022). [DOI: 10.1038/s41467-022-31639-z]