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La mémoire du photon au secours de l'ordinateur

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Deux équipes de chercheurs aux Etats-Unis ont réussi pour la première fois à créer un photon (particule élémentaire de lumière), à le stocker dans un ensemble d'atomes puis à le transporter et le restituer avec les mêmes propriétés que lors de sa création. C'est un pas significatif sur la voie du traitement et de la transmission quantique de l'information.

Un ordinateur fonctionne en manipulant des quantités élémentaires d'information, les « bits » (les « 0 » et « 1 »), pour procéder aux calculs. Les exigences croissantes de miniaturisation des composants électroniques poussent depuis longtemps les physiciens à envisager de stocker et transporter l'information à l'aide de systèmes quantiques, qui sont dotés par nature de deux états (ou niveaux d'information), correspondant à 0 et 1. L'unité d'information qui en découle, le « quantum bit » ou « qubit », peut ainsi être représentée par les deux états de spin d'un électron, ou encore par les états de polarisation verticale et horizontale d'un photon. On imagine aisément les progrès potentiels sur la réduction de taille des appareils ! De plus, une particularité essentielle du qubit est de pouvoir exister simultanément dans ses deux états, ce qu'on appelle phénomène de superposition. Sur le papier, l'ordinateur « quantique » peut donc supplanter les calculateurs classiques en termes de puissance.

Le photon est un parfait candidat pour abriter un qubit. Une fois encodé c'est-à-dire doté des propriétés correspondant à l'information que l'on veut traiter et transmettre, il est particulièrement bien adapté pour transmettre les données. Théoriquement, le photon peut en effet parcourir de très grandes distances sans subir d'altération de l'information qu'il transporte et être stocké sur de très longues périodes.

La difficulté est de manipuler la particule prise séparément. Les équipes de Micha Lukin de l'université de Harvard, et d'Alex Kuzmich du Georgia Institute of Technology, ont réussi à créer à l'aide de lasers un photon isolément et à la demande, au sein d'un ensemble d'atomes (du rubidium-87 pour les premiers et du rubidium-85 pour les seconds). Ce photon est envoyé ensuite dans un autre ensemble d'atomes, qui le "capture" puis le "libère", réalisant ainsi une mémoire quantique élémentaire

Sur le papier, c'est relativement simple. En pratique, il faut s'assurer que le photon conserve bien ses propriétés. L'équipe de Kuzmich, menée par un chercheur français, Thierry Chanelière, a réussi à « récupérer » ainsi un photon après un stockage de 500 nanosecondes. L'équipe de Lukin, menée par Matthew Eisaman, a obtenu des résultats similaires.

« Cette 'mémoire du photon' créée en laboratoire n'est qu'un premier pas » rappelle Philippe Grangier, directeur de recherche au CNRS (Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'optique à Orsay), interrogé par Tech & Co pour Futura Sciences. « Car ce n'est pas simplement un photon qu'il faut créer et transporter, mais un bit, précisément un qubit. Le quantum d'information encodé sur le photon doit être stocké puis restitué de façon fiable. Et de nombreuses autres questions restent en suspend, comme les durées de stockage, encore beaucoup trop courtes. Mais ce progrès en direction de l'utilisation de qubits pour traiter et transmettre l'information est prometteur

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