Les physiciens enchevêtrent efficacement plus d'une douzaine de photons

Les physiciens enchevêtrent efficacement plus d’une douzaine de photons

Assemblage d’un résonateur optique dans le vide. Un seul atome de rubidium est piégé entre les miroirs de forme conique à l’intérieur du support. Crédit : MPQ

Les physiciens de l’Institut Max Planck d’optique quantique ont réussi à intriquer plus d’une douzaine de photons de manière efficace et définie. Par conséquent, ils créent une base pour un nouveau type d’ordinateur quantique. Son étude est publiée dans La nature.

Les phénomènes du monde quantique, qui semblent souvent étranges du point de vue du monde quotidien commun, ont depuis longtemps trouvé leur place dans la technologie. Par exemple, l’intrication : une connexion physique quantique entre des particules qui les lie de manière étrange sur des distances arbitrairement longues. Il peut être utilisé, par exemple, dans un ordinateur quantique, une machine informatique qui, contrairement à un ordinateur classique, peut effectuer de nombreuses opérations mathématiques simultanément. Cependant, pour utiliser de manière rentable un ordinateur quantique, un grand nombre de particules intriquées doivent travailler ensemble. Ce sont les éléments de base pour les calculs, les soi-disant qubits.

“Les photons, les particules de lumière, sont particulièrement bien adaptés à cela car ils sont robustes par nature et faciles à manipuler”, explique Philip Thomas, doctorant à l’Institut Max Planck d’optique quantique (MPQ) à Garching près de Munich. Avec des collègues de la division de dynamique quantique dirigée par le professeur Gerhard Rempe, il a maintenant réussi à faire un pas important vers la fabrication de photons utilisables pour des applications technologiques telles que l’informatique quantique : pour la première fois, l’équipe a généré jusqu’à 14 photons intriqués. dans une forme définie et avec un rendement élevé.

Un atome comme source de photons

“L’astuce de cette expérience était que nous utilisions un seul atome pour émettre les photons et les tisser ensemble d’une manière très spécifique”, explique Thomas. Pour ce faire, les chercheurs de Max Planck ont ​​placé un atome de rubidium au centre d’une cavité optique, sorte de chambre d’écho pour les ondes électromagnétiques. Avec une lumière laser d’une certaine fréquence, l’état de l’atome pourrait être adressé avec précision. À l’aide d’une impulsion de contrôle supplémentaire, les chercheurs ont également déclenché spécifiquement l’émission d’un photon intriqué avec l’état quantique de l’atome.

Photons intriqués personnalisés

Montage expérimental avec chambre à vide sur table optique. Crédit : MPQ

“Nous répétons ce processus plusieurs fois et de manière prédéterminée”, rapporte Thomas. Au milieu, l’atome était manipulé d’une certaine manière, dans le jargon technique : tourné. De cette façon, il a été possible de créer une chaîne de jusqu’à 14 particules légères qui ont été enchevêtrées les unes avec les autres par des rotations atomiques et amenées à un état souhaité. “À notre connaissance, les 14 particules lumineuses interconnectées représentent le plus grand nombre de photons intriqués qui ont été générés en laboratoire jusqu’à présent”, explique Thomas.

Processus de construction déterministe

Mais ce n’est pas seulement le nombre de photons intriqués qui marque un grand pas vers le développement d’ordinateurs quantiques puissants, la façon dont ils sont générés est également très différente des méthodes conventionnelles. “Parce que la chaîne de photons est issue d’un seul atome, elle pourrait être produite de manière déterministe”, explique Thomas. Cela signifie : en principe, chaque impulsion de commande délivre un photon avec les propriétés souhaitées. Jusqu’à présent, l’intrication des photons était généralement réalisée dans des cristaux non linéaires spéciaux. L’inconvénient : là, les particules de lumière sont créées essentiellement de manière aléatoire et d’une manière que vous ne pouvez pas contrôler. Cela limite également le nombre de particules pouvant être regroupées dans un état collectif.

Photons intriqués personnalisés

Assemblage d’un résonateur optique dans le vide. Un seul atome de rubidium est piégé entre les miroirs de forme conique à l’intérieur du support. Crédit : MPQ

La méthode utilisée par l’équipe de Garching, en revanche, permet de générer pratiquement n’importe quel nombre de photons intriqués. De plus, la méthode est particulièrement efficace, une autre mesure importante pour d’éventuelles applications techniques futures : “En mesurant la chaîne de photons produite, nous avons pu démontrer une efficacité de près de 50 %”, explique Philip Thomas. Cela signifie que presque chaque seconde “pression d’un bouton” sur l’atome de rubidium a délivré une particule de lumière utilisable, bien plus que ce qui avait été réalisé dans les expériences précédentes. “Dans l’ensemble, notre travail supprime un obstacle de longue date sur la voie de l’informatique quantique évolutive et basée sur des mesures”, déclare Gerhard Rempe, chef du département.

Plus d’espace pour la communication quantique

Les scientifiques du MPQ veulent lever un autre obstacle. Des opérations informatiques complexes, par exemple, nécessiteraient au moins deux atomes comme sources de photons dans le résonateur. Les physiciens quantiques parlent d’un état d’amas bidimensionnel. “Nous travaillons déjà pour nous attaquer à cette tâche”, déclare Philip Thomas.

Le chercheur de Max Planck souligne également que les applications techniques possibles s’étendent bien au-delà de l’informatique quantique : “Un autre exemple d’application est la communication quantique”, la transmission d’informations par écoute clandestine, par exemple, au moyen de la lumière dans une fibre optique. Là, la lumière subit des pertes inévitables lors de sa propagation en raison d’effets optiques tels que la diffusion et l’absorption, ce qui limite la distance sur laquelle les données peuvent être transportées. En utilisant la méthode développée à Garching, les informations quantiques pourraient être emballées dans des photons intriqués et pourraient également survivre à une certaine quantité de perte de lumière et permettre une communication sécurisée sur de plus grandes distances.


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Plus d’informations:
Philip Thomas et al, Génération efficace d’états de graphes multiphotons intriqués à partir d’un seul atome, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04987-5

Fourni par la société Max Planck

Citation: Physicists Entangle Over a Dozen Photons Efficiently (25 août 2022) Extrait le 26 août 2022 de https://phys.org/news/2022-08-physicists-entangle-dozen-photons-soughly.html

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