Une nouvelle expérience traduit les informations quantiques entre les technologies dans une étape importante pour l’internet quantique

Les chercheurs ont découvert un moyen de « traduire » les informations quantiques entre différents types de technologies quantiques, avec des implications majeures pour l’informatique quantique, la communication et les réseaux.

Publication de la recherche dans la revue nature Mercredi. Il représente une nouvelle façon de convertir les informations quantiques du format utilisé par les ordinateurs quantiques au format requis pour la communication quantique.

Les photons – particules de lumière – sont essentiels aux technologies de l’information quantique, mais différentes technologies les utilisent à des fréquences différentes. Par exemple, certaines des technologies informatiques quantiques les plus populaires reposent sur des qubits supraconducteurs, tels que ceux utilisés par les géants de la technologie Google et IBM ; Ces qubits stockent des informations quantiques dans des photons qui voyagent à des fréquences micro-ondes.

Mais si vous voulez construire un réseau quantique ou connecter des ordinateurs quantiques, vous ne pouvez pas envoyer de photons micro-ondes car leur emprise sur leurs informations quantiques est trop faible pour survivre au voyage.

« Beaucoup de technologies que nous utilisons pour les communications classiques – téléphones portables, Wi-Fi, GPS et autres – utilisent toutes des fréquences micro-ondes pour la lumière », a déclaré Aishwarya Kumar, chercheuse postdoctorale au James Frank Institute de l’Université de Chicago. . . Auteur principal sur papier. « Mais vous ne pouvez pas faire cela pour la communication quantique car l’information quantique dont vous avez besoin est contenue dans un seul photon. Et aux fréquences micro-ondes, cette information serait enfouie dans le bruit thermique. »

La solution consiste à transférer l’information quantique à un photon haute fréquence, appelé photon optique, plus résistant au bruit ambiant. Mais l’information ne peut pas être transférée directement d’un photon à l’autre. Au lieu de cela, nous avons besoin d’une commande intermédiaire. Certaines expériences conçoivent des dispositifs à semi-conducteurs à cette fin, mais l’expérience de Kumar vise quelque chose de plus fondamental : les atomes.

Seuls les électrons dans les atomes sont autorisés à avoir certaines quantités d’énergie appelées niveaux d’énergie. Si un électron se trouve à un niveau d’énergie inférieur, il peut être excité à un niveau d’énergie supérieur en le frappant avec un photon dont l’énergie correspond exactement à la différence entre les niveaux supérieur et inférieur. De même, lorsqu’un électron est forcé de descendre à un niveau d’énergie inférieur, l’atome émet un photon avec une énergie proportionnelle à la différence d’énergie entre les niveaux.

Il se trouve que les atomes de rubidium ont deux trous dans leurs plans que la technique de Komar exploite : un exactement égal à l’énergie d’un photon micro-onde, et un second exactement égal à l’énergie d’un photon optique. En utilisant un laser pour déplacer les énergies des électrons d’un atome vers le haut et vers le bas, cette technique permet à un atome d’absorber un photon micro-onde avec des informations quantiques, puis d’émettre un photon de lumière avec ces informations quantiques. Cette traduction entre les différents modes d’information quantique est appelée « conversion ».

L’utilisation efficace des atomes à cette fin est rendue possible par les grands progrès que les scientifiques ont réalisés dans la manipulation de ces petits objets. « En tant que société, nous avons construit une technologie incroyable au cours des 20 ou 30 dernières années qui nous permet de contrôler pratiquement tout ce qui concerne les atomes », a déclaré Kumar. « Donc, le procès est très contrôlé et efficace. »

Un autre secret de leur succès, dit-il, réside dans les progrès réalisés dans le domaine de l’électrodynamique quantique en cavité, dans laquelle un photon est piégé dans une chambre réfléchissante supraconductrice. En forçant un photon à rebondir sur un espace clos, la cavité supraconductrice renforce l’interaction entre le photon et tout matériau placé à l’intérieur.

Leur chambre n’a pas l’air complètement fermée – en fait, elle ressemble beaucoup à un bloc de fromage suisse. Mais ce qui ressemble à des trous de ver sont en fait des tunnels qui se croisent à une géométrie très spécifique, de sorte que des photons ou des atomes peuvent être piégés à l’intersection. C’est une conception intelligente qui permet également aux chercheurs d’accéder à la chambre afin qu’ils puissent injecter des atomes et des photons.

La technologie fonctionne dans les deux sens : elle peut transmettre des informations quantiques des photons micro-ondes aux photons légers, et vice versa. Il peut donc se trouver des deux côtés d’une communication longue distance entre deux ordinateurs quantiques supraconducteurs et servir de bloc de construction de base pour l’Internet quantique.

Mais Kumar pense qu’il pourrait y avoir plus d’applications pour cette technologie que de simples réseaux quantiques. Sa principale capacité est d’enchevêtrer énergétiquement les atomes et les photons, une tâche fondamentale et difficile dans de nombreuses technologies quantiques différentes à travers le domaine.

« L’une des choses qui nous passionnent vraiment est la capacité de cette plateforme à générer des synapses vraiment efficaces », a-t-il déclaré. « L’intrication est fondamentale pour presque tout ce qui nous intéresse quantique, de l’informatique à la simulation en passant par les échelles et les horloges atomiques. Je suis également ravi de voir ce que nous pouvons faire. »