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Information quantique : des qubits dans des impulsions laser ultrabrèves

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En associant des techniques d'optique quantique à des impulsions laser ultrabrèves, des physiciens viennent de démontrer la pertinence d'une nouvelle approche pour le traitement en parallèle de l'information quantique. Contrairement aux dispositifs développés jusqu'à présent, le volume d'information quantique pouvant être manipulé n'est pas limité par la taille du support physique lui-même, mais par les performances du système de détection.

Albert Einstein est notamment à l'origine du laser et de la découverte de l'effet EPR. Ses travaux sont donc à la base du domaine de l'information quantique, en plein développement. © Oren Jack Turner, Wikimedia Commons, DP

Qu'il s'agisse de communiquer, de simuler ou de calculer, les systèmes de traitement de l'information sont des dispositifs matériels dans lesquels les informations élémentaires ont un support physique. Lorsque ces informations élémentaires sont des informations quantiques, dénommées qubits, le choix du support est une question délicate qui conditionne la faisabilité des dispositifs. Aujourd'hui, dans les systèmes les plus performants, chaque qubit est matérialisé sur un ion piégé, un nanosystème ou encore un circuit supraconducteur. Ces supports sont particulièrement efficaces pour préserver les bits quantiques des perturbations et les faire interagir entre eux, mais leur taille est limitée par le nombre d'éléments qu'il est possible d'associer : tout au plus une dizaine.

Des physiciens du LKB (laboratoire Kastler-Brossel, CNRS-UPMC-ENS) viennent de proposer et démontrer une nouvelle approche dans laquelle les divers qubits sont véhiculés par des photons de fréquences différentes présents dans le faisceau d'un laser à impulsions ultrarapides. En associant les techniques de l'optique quantique pour la création des bits quantiques et de l'optique ultrarapide pour analyser les états créés, les chercheurs ont d'ores et déjà créé et manipulé en parallèle une dizaine de qubits. Cette méthode ouvre de nombreuses perspectives dans le traitement parallèle de l'information quantique, car elle a pour avantage de n'être limitée que par les performances du système de détection. Ce travail est publié dans la revue Nature Photonics.

Protocole expérimental : un laser femtoseconde, contenant environ 100.000 longueurs d’onde, est utilisé comme vecteur d’information quantique. Un cristal non linéaire en cavité (SPOPO) génère des corrélations quantiques entre toutes ces fréquences. Une mise en forme d’impulsion (pulse shaping) est utilisée pour révéler ces corrélations (l’illustration montre les dix canaux quantiques utilisés dans l’expérience). La mesure est faite au niveau de la détection homodyne, qui compare le faisceau multimode quantique à un faisceau de référence. © Valérian Thiel, doctorant au LKB

Photons intriqués et qubits

À côté des supports matériels tels que les ions piégés ou les systèmes supraconducteurs, les multiples photons de fréquences différentes présents dans une onde lumineuse sont des candidats de choix comme support de l'information quantique. Quelques équipes de physiciens dans le monde explorent actuellement cette voie avec des stratégies différentes. Les physiciens du LKB ont choisi d'exploiter les centaines de milliers de fréquences optiques contenues dans les lasers à impulsions.

Le faisceau laser utilisé par les chercheurs est une succession d'impulsions ultrabrèves de 150 femtosecondes. À la sortie du laser, ce faisceau traverse une cavité optique contenant un cristal non linéaire qui scinde chaque photon incident en deux photons « jumeaux ». Les contenus des divers canaux d'informations véhiculés par les photons de fréquences différentes ne sont alors plus indépendants : à chaque photon présent dans un canal correspond son jumeau présent dans un autre canal. À la sortie de cette cavité, cet état quantique complexe est analysé en le faisant interférer avec les impulsions d'un laser de référence dont on contrôle le profil temporel. Chaque forme réalisée lors de la détection correspond alors à un canal quantique différent dont on sonde le contenu. Ce sont au total dix modes différents que les physiciens ont pu sonder, individuellement et par paire.

Les mesures effectuées leur ont permis de prouver que ces dix canaux étaient effectivement autant de modes quantiques indépendants susceptibles de porter chacun un bit quantique. Après cette première expérience, les chercheurs travaillent à améliorer leur système de détection afin d'atteindre une cinquantaine de modes : une taille de système quantique encore jamais atteinte.

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