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Des chercheurs du MIT ont mis au point un moyen de générer, à la température ambiante, davantage de photons uniques pour transporter des informations quantiques. Cette conception, disent-ils, est prometteuse pour le développement d’ordinateurs quantiques.

Des cavités pour générer des photons « indiscernables »

Les émetteurs quantiques génèrent des photons qui peuvent être détectés un à un. Les ordinateurs et dispositifs quantiques grand public pourraient potentiellement exploiter certaines propriétés de ces photons en tant que bits quantiques («qubits») pour exécuter des calculs.
Alors que les ordinateurs classiques traitent et stockent les informations en bits de 0 ou de 1, les qubits peuvent être 0 et 1 simultanément. Cela signifie que les ordinateurs quantiques pourraient potentiellement résoudre des problèmes insolubles pour les ordinateurs classiques.
Toutefois un défi majeur consiste à produire des photons uniques avec des propriétés quantiques identiques, appelés photons «indiscernables». Pour améliorer l’indiscernabilité, les émetteurs acheminent la lumière à travers une cavité optique où les photons rebondissent, un processus qui leur permet de faire correspondre leurs propriétés à la cavité. En général, plus les photons restent longtemps dans cette cavité, plus ils sont «indiscernables».
Mais il y a aussi un compromis. Dans les grandes cavités, les émetteurs quantiques génèrent des photons spontanément, ne laissant qu’une petite fraction de photons restant dans la cavité, ce qui rend le processus inefficace. Les plus petites cavités extraient des pourcentages plus élevés de photons, mais les photons sont de moins bonne qualité ou «distinguables».
Dans un article publié aujourd’hui dans Physical Review Letters, les chercheurs ont divisé une cavité en deux, chacune avec une tâche spécifique. Une cavité plus petite gère l’extraction des photons, tandis que la grande cavité les stocke un peu plus longtemps pour améliorer leur indiscernabilité.
Comparée à une seule cavité, la cavité couplée des chercheurs a généré des photons avec une indiscernabilité d’environ 95%, contre 80% d’indiscernabilité, avec une efficacité environ trois fois supérieure.

Deux cavités valent mieux qu’une

«En bref, deux valent mieux qu’un», déclare le premier auteur Hyeongrak «Chuck» Choi, étudiant diplômé du Laboratoire de recherche en électronique du MIT (RLE). «Ce que nous avons constaté, c’est qu’avec cette architecture, nous pouvons séparer les rôles des deux cavités: la première cavité se concentre simplement sur la collecte de photons pour un rendement élevé, tandis que la seconde se concentre sur l’indiscernabilité dans un seul canal.
Dans le système des chercheurs, une petite cavité est fixée à un émetteur, ce qui, dans leurs études, était un défaut optique dans un diamant, appelé «centre de silicium» – un atome de silicium remplaçant deux atomes de carbone dans un réseau de diamant. La lumière produite par le défaut est collectée dans la première cavité.
En raison de sa structure focalisant la lumière, les photons sont extraits à des taux très élevés. Ensuite, la nanocavité canalise les photons dans une seconde cavité plus grande. Là, les photons rebondissent pendant un certain temps. Lorsqu’ils atteignent une grande indiscernabilité, les photons sortent par un miroir formé de trous reliant la cavité à un guide d’ondes.
Il est important de noter que, dit Choi, aucune des cavités ne doit répondre à des exigences de conception rigoureuses en matière d’efficacité ou d’indiscernabilité des cavités traditionnelles, appelées «facteur de qualité (facteur Q.)». Mais les cavités avec des facteurs Q élevés sont technologiquement difficiles à fabriquer.
Dans cette étude, la cavité couplée des chercheurs a produit des photons de qualité supérieure à d’autres systèmes ayant une seule cavité. Même lorsque son facteur Q était environ un centième de la qualité du système à une cavité, ils pouvaient obtenir la même indiscernabilité avec une efficacité trois fois supérieure.

Les cavités peuvent être ajustées

Les cavités peuvent être ajustées de manière à optimiser l’efficacité par rapport à l’indiscernabilité et à prendre en compte les contraintes éventuelles sur le facteur Q, en fonction de l’application. C’est important, ajoute Choi, car les émetteurs actuels fonctionnants à la température ambiante peuvent varier considérablement en qualité et en propriétés.
Ensuite, les chercheurs testent la limite théorique de ces cavités. Une cavité de plus gérerait toujours l’extraction de manière efficace, mais serait ensuite liée à de multiples cavités pour que les photons de différentes tailles puissent obtenir une indiscernabilité optimale. Mais il y aura probablement une limite, a déclaré Choi: «avec deux cavités, il n’y a qu’une connexion, elle peut donc être efficace. Mais s’il y a plusieurs cavités, les connexions multiples pourraient la rendre inefficace. Nous étudions actuellement la limite fondamentale des cavités pouvant être utilisées en informatique quantique.  »
Source : MIT
Crédit photo : Pixabay