L’informatique quantique future nécessitera des corrélations entre modules distants — une caractéristique connue sous le nom d’intrication distribuée. Traditionnellement, une telle intrication reposait sur un contrôle actif et des mesures répétées. Aujourd’hui, des physiciens de l’Institute of Science and Technology Austria (ISTA) ont réalisé une méthode entièrement autonome pour l’intrication distribuée en utilisant un « bain quantique » de particules de lumière corrélées. Publiée lundi dans Physical Review X, leur travail confirme expérimentalement une ‑prédiction‑vieille de 20 ans et pourrait fournir une nouvelle plateforme pour les technologies quantiques appliquées.
L’intrication est une caractéristique centrale de la physique quantique dans laquelle les corrélations partagées dépassent ce que les théories physiques classiques peuvent expliquer. Réaliser une intrication distribuée entre des qubits physiquement séparés (bits quantiques) pourrait permettre des avancées futures, telles que des ordinateurs quantiques évolutifs et des réseaux quantiques.
Pour intriguer des qubits distants, les tentatives précédentes reposaient sur deux protocoles. Dans une approche, un seul photon contrôlé activement est envoyé d’un qubit à l’autre. Dans la seconde approche, chaque qubit émet un photon qui doit être apparié pour produire l’intrication. Bien que la seconde méthode ait valu le prix Nobel de physique 2022, elle nécessite de nombreuses mesures répétées et une post-sélection, et ne produit pas toujours l’intrication.
Aujourd’hui, le doctorant Alejandro Andrés-Juanes et le professeur Johannes Fink de l’Institute of Science and Technology Austria (ISTA) ont collaboré à l’international pour concevoir un bain quantique qui synchronise de manière autonome la « danse » de qubits distants. En développant un prototype de dispositif qui utilise une source commune de particules de lumière corrélées pour intriguer deux qubits distants, l’équipe a démontré, pour la première fois, une théorie proposée il y a plus de 20 ans.
Intrication entièrement autonome
L’intrication existe sous diverses formes. Les états intriqués à variables continues peuvent être générés efficacement et sont donc facilement disponibles. Ils ressemblent à un pendule, dont la position et la quantité de mouvement varient en continu. Cependant, la plupart des applications nécessitent des systèmes à « variables discrètes », des formes d’intrication « tout ou rien » avec lesquelles les qubits stationnaires peuvent interagir. Les chercheurs de l’ISTA peuvent-ils concevoir un système qui comble le fossé entre ces deux formes d’intrication ?
« Dans ce travail, nous visions à surmonter ce décalage entre les formes d’intrication facilement disponibles et celles utiles en pratique, » dit Andrés-Juanes. « En stabilisant les états intriqués à distance, notre approche est entièrement autonome et ne nécessite ni contrôle actif ni mesure. »
Synchronisation sur une source commune de particules de lumière
L’un des principaux défis des applications de l’informatique quantique est de maintenir l’intrication et la cohérence quantique des qubits.
« Dans notre méthode, le bain quantique — c’est-à-dire l’environnement des qubits — est la source de l’intrication. Il crée un nouvel état fondamental grâce à un flux continu de photons corrélés, » affirme Fink. « Ainsi, l’état intriqué des qubits est stabilisé, même au-delà de la « durée de vie » des qubits, et reste toujours disponible comme ressource pour un traitement quantique ultérieur. Cela rend l’approche conceptuellement significative. » Lorsque l’intrication est toujours disponible, les scientifiques peuvent la récupérer à la demande. Cela contraste avec l’intrication de courte durée, qu’ils doivent utiliser lorsqu’elle se présente.
Pour que les qubits interagissent avec la source de photons intriqués, l’équipe a utilisé un type spécifique de particules de lumière : les photons micro-ondes. Ces particules de lumière de faible énergie sont bien adaptées à la manipulation de l’information quantique et constituent la base de la technologie actuelle des qubits supraconducteurs. D’autre part, les photons optiques sont généralement utilisés en optique et en physique atomique. De plus, les photons optiques pourraient aider à transmettre l’information quantique entre ordinateurs quantiques distants par fibre optique, un autre intérêt de recherche du groupe Fink à l’ISTA.
Aperçu des états des qubits
Pour vérifier que les qubits sont effectivement synchronisés dans le bain quantique, l’équipe a utilisé une technique de validation connue sous le nom de tomographie quantique, ainsi nommée car elle reconstruit un système à partir de nombreuses « tranches ». « Les qubits peuvent être dans une superposition d’états, mais tous ces états s’effondrent lorsque nous les mesurons, ne nous laissant qu’un état 0 ou 1, » dit Andrés-Juanes. Grâce à la tomographie quantique, l’équipe peut enregistrer des mesures aussi courtes que 20 à 80 nanosecondes pour sonder les états sous-jacents des qubits. Une nanoseconde correspond à un milliardième de seconde.
Vingt ans de la théorie à la mise en œuvre
En démontrant l’intrication entre deux qubits isolés via un bain quantique, l’équipe de l’ISTA a développé un prototype de laboratoire de preuve de concept. « Nous présentons une méthode relativement simple qui pourrait être étendue pour synchroniser plusieurs qubits distants, » dit Andrés-Juanes. Bien que la méthode de l’équipe donne des résultats prometteurs, d’autres approches impliquant un contrôle actif des états des qubits restent plus efficaces. « Notre méthode transfère actuellement environ 10 % de l’intrication disponible du bain. »
Les chercheurs soutiennent que la théorie a été proposée dans des conditions idéalisées il y a plus de vingt ans, ce qui peut expliquer pourquoi il n’a pas été possible de la démontrer plus tôt. « Nos expériences nous ont aidés à révéler plusieurs facteurs qui ont pu empêcher les scientifiques de concevoir un bain quantique fonctionnel utilisant une source unique de photons corrélés pour l’intrication distribuée, » affirme Fink.
Article : Distributing stationary qubit entanglement through a non-local squeezed reservoir – Journal : Physical Review X – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : ISTA
