Les scientifiques de l’ORNL ont créé une puce qui intègre plusieurs fonctions photoniques quantiques, permettant des qubits intriqués à large bande compatibles avec les réseaux à fibre optique, nous rapprochant ainsi d’un Internet quantique évolutif.
Les scientifiques de l’information quantique du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie ont démontré avec succès, pour la première fois, un dispositif qui combine pour la première fois des capacités photoniques quantiques clés sur une seule puce.
Publiée dans Optica Quantum, l’étude se concentre sur une forme d’informatique quantique qui utilise des photons, des particules de lumière, pour créer des qubits et pour transmettre et stocker des informations. Contrairement aux bits classiques, qui représentent soit 0 soit 1, les qubits peuvent exister dans plusieurs états à la fois grâce à un phénomène connu sous le nom de superposition quantique. Cela permet un codage des informations plus complexe et plus puissant. La recherche fait également progresser les bases des réseaux quantiques, qui visent à relier des dispositifs quantiques sur de longues distances —une étape cruciale vers la réalisation d’un Internet quantique.
Une plateforme compacte et évolutive
“Nous ne sommes pas les premiers à mettre l’un de ces éléments sur une puce, mais nous sommes les premiers à mettre ces capacités spécifiques sur une seule,” a déclaré Joe Lukens, auteur principal de l’étude et professeur associé à l’Université Purdue avec un poste conjoint de professeur à l’ORNL. “Ces puces peuvent être fabriquées selon des spécifications standardisées, ce qui est la clé pour garantir une production de masse à grande échelle. Un produit comme celui-ci nous emmène au-delà des démonstrations sur table et sur la voie d’un Internet quantique que tout le monde peut utiliser.”
L’équipe ORNL a codé des qubits sur des photons et généré des paires de qubits intriqués, c’est-à-dire des paires de qubits si entrelacés que les qubits partageaient des propriétés même lorsqu’ils étaient séparés dans l’espace. L’équipe a créé l’intrication de polarisation à large bande, un ingrédient nécessaire pour divers types de réseaux quantiques, dans un circuit entièrement intégré comparable au transistor électrique sur lequel s’appuient les ordinateurs classiques. L’intrication de polarisation à large bande utilise la direction de vibration d’une onde lumineuse pour coder des informations sur les photons sur un large spectre de longueurs d’onde.
Tirer parti des infrastructures existantes
Ces qubits photoniques peuvent être transmis via du matériel à fibre optique existant, ce qui éliminerait une grande partie du coût d’installation d’une nouvelle infrastructure. Ce type de portabilité pourrait contribuer à conduire à un Internet quantique plus stable et plus sécurisé.
Le processus de génération et de codage de ces qubits reste coûteux et prend du temps, mais la photonique quantique intégrée telle que celles déployées sur la nouvelle puce de l’équipe pourrait aider à surmonter cet obstacle.
“Si nous pouvons produire en masse une puce qui possède tous les composants dont nous avons besoin pour générer l’intrication de polarisation nécessaire, alors il s’agit de brancher les puces sur un réseau sans avoir à acheter et aligner tous ces composants de table spécialisés”, a déclaré Alexander Miloshevsky, chercheur postdoctoral associé à l’ORNL et co-auteur de l’étude.
À l’intérieur de la puce : composants et capacités clés
La conception de la puce intègre des composants clés tels qu’un résonateur à micro-anneaux, qui permet de générer des paires de photons intriqués, et des rotateurs séparateurs de polarisation, qui séparent la lumière d’entrée en différents chemins de sortie en fonction de la polarisation de la lumière. L’appariement des composants sur une seule puce permet la génération directe d’intrication de polarisation à large bande.
“Ces photons sont compatibles avec les réseaux de câbles à fibre optique traditionnels qui existent déjà”, a déclaré Hsuan-Hao Lu, chercheur quantique à l’ORNL et co-auteur de l’étude. “Une fois que nous pourrons générer et manipuler ces photons, nous pourrons utiliser des composants de télécommunications quotidiens disponibles dans le commerce pour une grande partie du travail restant.”
Performances record des chaînes et potentiel futur
La puce a démontré plus de 116 paires distinctes de canaux, ou couleurs d’ondes lumineuses, pour la transmission. Plus de 100 de ces chaînes avaient une haute fidélité – ce que l’équipe a décrit comme un “nombre record.”
En utilisant des résonateurs à micro-anneaux pour la génération de paires, la conception de l’équipe pourrait à terme permettre la création de qubits hyperenchevêtrés, qui seraient intriqués de plusieurs manières, par exemple par polarisation et par couleur.
“Plus nous pouvons utiliser de degrés de liberté pour enchevêtrer et coder ces qubits, plus nous pouvons potentiellement intégrer d’informations”, a déclaré Lukens. “Une métaphore approximative de l’intrication est une paire de dés à multiples facettes qui, bien que produisant individuellement des résultats complètement aléatoires, correspondent toujours. Lorsque plusieurs degrés de liberté — couleur, polarisation, etc. — sont intriqués, c’est comme avoir accès à plusieurs paires de ces dés à la fois, chacun pouvant être utilisé pour la communication. C’est de l’hyperenchevêtrement.
“Toutes ces études sont des éléments d’un tableau plus vaste qui nous mènera finalement à un Internet quantique. Nous ne savons pas exactement à quoi ressemblera le résultat final, mais tout ce que nous apprenons nous rapproche un peu plus.”
