Un dispositif pourrait donner un coup d’accélérateur aux travaux sur l’internet quantique

Dans une étude qui pourrait catalyser les efforts vers l’Internet quantique, des chercheurs du MIT et de l’Université de Cambridge ont construit et testé un dispositif d’une finesse exquise qui pourrait permettre un flux rapide et efficace d’informations quantiques sur de longues distances.

Le rôle clé du « microchiplet »

Le dispositif est basé sur un «microchiplet» en diamant, dans lequel certains des atomes de carbone du diamant sont remplacés par des atomes d’étain. Les expériences de l’équipe indiquent que le dispositif, composé de guides d’ondes pour la lumière transportant l’information quantique, résout un paradoxe qui a entravé l’arrivée de grands réseaux quantiques évolutifs.

L’information quantique, sous forme de bits quantiques ou qubits, est facilement perturbée par le bruit environnemental, comme les champs magnétiques, qui détruit l’information. D’une part, il est souhaitable d’avoir des qubits qui n’interagissent pas fortement avec l’environnement. D’autre part, toutefois, ces qubits doivent interagir fortement avec la lumière, ou les photons, essentiels pour transporter l’information sur de longues distances.

Une solution innovante pour le transfert d’informations

Les chercheurs du MIT et de Cambridge permettent les deux en co-intégrant deux types différents de qubits qui travaillent en tandem pour sauvegarder et transmettre l’information. De plus, l’équipe rapporte des efficacités élevées dans le transfert de cette information.

« C’est une étape cruciale car elle démontre la faisabilité d’intégrer des qubits électroniques et nucléaires dans un microchiplet. Cette intégration répond au besoin de préserver l’information quantique sur de longues distances tout en maintenant une forte interaction avec les photons. Cela a été possible grâce à la combinaison des forces des équipes de l’Université de Cambridge et du MIT », précise Dirk Englund, professeur associé au Département de génie électrique et d’informatique du MIT (EECS) et leader de l’équipe du MIT. Englund est également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.

Le professeur Mete Atatüre, leader de l’équipe de Cambridge, ajoute : « Les résultats sont le fruit d’un effort de collaboration intense entre les deux équipes de recherche au fil des ans. Il est formidable de voir la combinaison de la prédiction théorique, de la fabrication de dispositifs et de la mise en œuvre de nouveaux contrôles optiques quantiques dans un seul travail. »

Travailler à l’échelle quantique

Un bit d’ordinateur peut être considéré comme quelque chose ayant deux états physiques différents, tels que «on» et «off», pour représenter zéro et un.

Dans l’étrange monde ultra-petit de la mécanique quantique, un qubit « a la propriété supplémentaire qu’au lieu d’être dans l’un de ces deux états, il peut être dans une superposition des deux états. Il peut donc être dans ces deux états en même temps », explique Arjona Martínez. Plusieurs qubits qui sont intriqués, ou corrélés les uns avec les autres, peuvent partager beaucoup plus d’informations que les bits associés à l’informatique conventionnelle. D’où le potentiel de puissance des ordinateurs quantiques.

Il existe de nombreux types de qubits, mais deux types courants sont basés sur le spin, ou la rotation d’un électron ou d’un noyau (de gauche à droite, ou de droite à gauche). Le nouveau dispositif implique à la fois des qubits électroniques et nucléaires.

Un électron en rotation, ou qubit électronique, est très bon pour interagir avec l’environnement, tandis que le noyau en rotation d’un atome, ou qubit nucléaire, ne l’est pas.

« Nous avons combiné un qubit qui est bien connu pour interagir facilement avec la lumière avec un qubit qui est bien connu pour être très isolé, et donc pour préserver l’information pendant longtemps. En combinant ces deux éléments, nous pensons pouvoir obtenir le meilleur des deux mondes », précise Arjona Martínez.

Comment cela fonctionne-t-il ?

«L’électron [qubit électronique] qui tourbillonne dans le diamant peut se coincer au défaut d’étain», explique Isaac B. Harris. Et ce qubit électronique peut alors transférer son information au noyau d’étain en rotation, le qubit nucléaire.

« L’analogie que j’aime utiliser est celle du système solaire », poursuit Isaac B. Harris. « Vous avez le Soleil au milieu, c’est le noyau d’étain, et puis vous avez la Terre qui tourne autour, et c’est l’électron. Nous pouvons choisir de stocker l’information dans la direction de la rotation de la Terre, c’est notre qubit électronique. Ou nous pouvons stocker l’information dans la direction du Soleil, qui tourne autour de son propre axe. C’est le qubit nucléaire. »

En général, la lumière transporte l’information à travers une fibre optique vers le nouveau dispositif, qui comprend une pile de plusieurs minuscules guides d’ondes en diamant qui sont chacun environ 1 000 fois plus petits qu’un cheveu humain. Plusieurs dispositifs pourraient alors agir comme les nœuds qui contrôlent le flux d’information dans l’Internet quantique.

En synthèse

Le travail décrit dans Nature Photonics implique des expériences avec un seul dispositif. « Finalement, cependant, il pourrait y avoir des centaines ou des milliers de ces dispositifs sur une puce », indique pour finir Arjona Martínez.

Dans un article paru dans Nature, des chercheurs du MIT, dont plusieurs des auteurs actuels, décrivent leur vision de l’architecture qui permettra l’intégration à grande échelle des dispositifs.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un qubit ?

Un qubit, ou bit quantique, est l’unité de base de l’information quantique. Il peut être dans un état de superposition, ce qui signifie qu’il peut être à la fois dans l’état 0 et 1 en même temps, contrairement à un bit classique qui ne peut être que dans un état à la fois.

Qu’est-ce que l’Internet quantique ?

L’Internet quantique est un réseau qui utilise la mécanique quantique pour réaliser des tâches de communication, comme le transfert sécurisé d’informations. Il est encore à un stade très préliminaire de développement.

Qu’est-ce que le spin dans le contexte des qubits ?

Le spin est une propriété quantique des particules. Dans le contexte des qubits, le spin peut être utilisé pour représenter l’information, avec le spin «up» représentant un état et le spin « down » représentant l’autre.

Qu’est-ce qu’un microchiplet ?

Un microchiplet est un petit circuit intégré qui peut être combiné avec d’autres pour former un circuit plus complexe. Dans ce contexte, le microchiplet est fait de diamant et contient des atomes d’étain qui servent de qubits.

Quels sont les avantages de l’Internet quantique ?

L’Internet quantique pourrait permettre des communications ultra-sécurisées, car toute tentative d’interception de l’information perturberait les qubits et serait immédiatement détectée. Il pourrait également permettre des calculs beaucoup plus rapides que ceux possibles avec l’informatique classique.

Références

Légende illustration : Photographie au microscope d’un dispositif qui pourrait donner le coup d’envoi à l’internet quantique. l’internet quantique. Les lignes horizontales sont des guides d’ondes en diamant, chacun environ 1 000 fois fois plus petits qu’un cheveu humain. Crédit : Laboratoire Atatüre, Université de Cambridge