L'informatique quantique à photons uniques se rapproche de la réalité

Une approche prometteuse pour l’informatique quantique évolutive consiste à utiliser une architecture entièrement optique, dans laquelle les qubits sont représentés par des photons et manipulés par des miroirs et des séparateurs de faisceaux. Jusqu’à présent, les chercheurs ont démontré cette méthode, appelée informatique quantique optique linéaire, à très petite échelle en effectuant des opérations utilisant seulement quelques photons. Dans le but d'étendre cette méthode à un plus grand nombre de photons, les chercheurs d'une nouvelle étude ont développé un moyen d'intégrer pleinement des sources à photons uniques dans des circuits optiques, créant ainsi des circuits quantiques intégrés pouvant permettre un calcul quantique optique évolutif.

Les chercheurs, Iman Esmaeil Zadeh, Ali W. Elshaari et leurs coauteurs, ont publié un article sur les circuits quantiques intégrés dans un numéro récent de Lettres nano.

Comme l'expliquent les chercheurs, l'un des plus grands défis liés à la réalisation d'un système informatique quantique optique linéaire efficace consiste à intégrer plusieurs composants généralement incompatibles les uns avec les autres sur une seule plate-forme. Ces composants comprennent une source de photons uniques telle que des points quantiques ; des dispositifs de routage tels que des guides d'ondes ; des dispositifs pour manipuler photons tels que les cavités, les filtres et les portes quantiques ; et détecteurs à photon unique.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont démontré expérimentalement une méthode permettant d’intégrer des points quantiques générateurs de photons uniques à l’intérieur de nanofils qui, à leur tour, sont encapsulés dans un guide d’ondes. Pour ce faire avec la haute précision requise, ils ont utilisé un « nanomanipulateur » constitué d’une pointe en tungstène pour transférer et aligner les composants. Une fois à l’intérieur du guide d’ondes, des photons uniques pourraient être sélectionnés et acheminés vers différentes parties du circuit optique, où des opérations logiques pourraient éventuellement être effectuées.

"Nous avons proposé et démontré une solution hybride pour l'optique quantique intégrée qui exploite les avantages des sources monophotoniques de haute qualité avec une photonique à base de silicium bien développée", a déclaré Zadeh, de l'Université de technologie de Delft aux Pays-Bas. Phys.org. « De plus, contrairement aux travaux précédents, cette méthode est entièrement déterministe, c'est-à-dire que seules les sources quantiques possédant les propriétés sélectionnées sont intégrées dans des circuits photoniques.

« L’approche proposée peut servir d’infrastructure pour la mise en œuvre de circuits optiques quantiques intégrés évolutifs, ce qui présente un potentiel pour de nombreuses technologies quantiques. De plus, cette plateforme fournit de nouveaux outils aux physiciens pour étudier les fortes interactions lumière-matière à l’échelle nanométrique et en cavité QED [électrodynamique quantique].”

L’une des mesures de performance les plus importantes pour l’informatique quantique optique linéaire est l’efficacité du couplage entre la source de photons uniques et le canal photonique. Un faible rendement indique une perte de photons, ce qui réduit la fiabilité de l'ordinateur. La configuration ici atteint une efficacité de couplage d'environ 24% (ce qui est déjà considéré comme bon), et les chercheurs estiment que l'optimisation de la conception et du matériau du guide d'ondes pourrait améliorer cette efficacité jusqu'à 92%.

En plus d'améliorer l'efficacité du couplage, les chercheurs prévoient également de démontrer à l'avenir l'intrication sur puce, ainsi que d'augmenter la complexité des circuits photoniques et des détecteurs à photon unique.

"En fin de compte, l'objectif est de réaliser un réseau quantique entièrement intégré sur puce", a déclaré Elshaari, de l'Université de technologie de Delft et de l'Institut royal de technologie (KTH) de Stockholm. "À l'heure actuelle, il existe de nombreuses opportunités et le domaine n'est pas encore bien exploré, mais le réglage des sources sur puce et la génération de photons indiscernables font partie des défis à relever."