Avancées dans le développement des registres quantiques

L'informatique quantique et la communication quantique sont des domaines super excitants qui promettent des capacités au-delà de ce que les ordinateurs traditionnels peuvent faire. Mais créer des systèmes plus grands avec plein de qubits, qui sont les unités de base de l'information quantique, c'est pas si simple. Une manière de remédier à ça, c'est de développer un Réseau quantique, où de petits groupes de qubits, appelés registres quantiques, peuvent communiquer efficacement entre eux.

Dans cette étude, les chercheurs ont construit un Registre quantique en utilisant des pinces optiques, qui sont des faisceaux de lumière concentrés capables de retenir de petites particules, et des Réseaux optiques, qui sont des structures formées par des faisceaux laser qui créent de l'espace pour des atomes dans un agencement spécifique. Ce registre consiste en une matrice bidimensionnelle d'atomes placés à l'intérieur d'une cavité optique, un espace où la lumière est piégée entre des miroirs.

En utilisant un faisceau laser spécialement dirigé pour s'adresser à des atomes individuels, l'équipe a réussi à faire émettre un photon par chaque atome, un photon étant une particule de lumière. Ils ont montré avec succès qu'ils peuvent créer des paires d'États intriqués atome-photon avec une efficacité très élevée, proche de 90%. C'est un pas significatif vers le développement d'un système où l'information quantique peut être traitée et partagée sur un réseau.

Les réseaux quantiques ont le potentiel d'avoir différentes applications, comme la communication sécurisée, l'informatique quantique distribuée, des mesures de précision et la synchronisation de l'heure dans les horloges. Le design proposé inclut des nœuds avec des qubits fixes pour le traitement de l'information et des fibres optiques qui les connectent pour échanger des données quantiques.

Cependant, la mise en œuvre pratique fait face à des défis en raison des pertes dans les fibres optiques et des erreurs qui peuvent survenir durant la transmission. Une solution suggérée est d'utiliser un registre multi-qubit évolutif pour chaque nœud. Cela permet d'améliorer les méthodes de communication qui peuvent contrer ces pertes et améliorer la fiabilité en utilisant des techniques comme la distillation d'intrication ou la correction d'erreurs.

L'objectif principal est de construire un registre où chaque qubit peut être contrôlé individuellement et relié à un photon pour se lier avec le réseau quantique. Les chercheurs abordent cela en combinant des techniques de l'électrodynamique quantique de cavité avec des technologies basées sur les atomes. La cavité agit comme un pont pour connecter les atomes et les Photons, tandis que le réseau optique assure que les atomes sont positionnés de manière stable et que les pinces permettent un assemblage rapide des configurations souhaitées.

Même si de grandes matrices de pinces optiques peuvent créer des registres avec des centaines de qubits, les expériences précédentes avaient du mal avec l'accès optique nécessaire pour les pinces à l'intérieur de la cavité. Les efforts pour piéger des atomes avec des pinces dans une cavité ont été limités, et aucune n'a montré la capacité de contrôler des qubits atomiques individuels-une exigence importante pour un réseau quantique fonctionnel.

En utilisant une matrice de pinces optiques en plus d'un réseau optique, cette recherche a réussi à obtenir un contrôle individuel sur un groupe de qubits atomiques. Les chercheurs ont formé des registres unidimensionnels et bidimensionnels avec jusqu'à six atomes, en s'adressant à chaque atome séparément pour créer des états intriqués atome-photon. Ils ont constaté que la fidélité, ou l'exactitude, des états intriqués créés restait stable à mesure que plus de qubits étaient ajoutés, suggérant que des systèmes plus grands pourraient être construits.

Les chercheurs ont mis en place une méthode de multiplexage qui leur a permis de créer des paires atome-photon avec une probabilité élevée à chaque essai. Ce travail se rapproche de la génération et du partage d'états intriqués à travers des réseaux quantiques, ce qui est clé pour construire de futurs systèmes de communication quantique.

#Configuration Expérimentale

La disposition expérimentale inclut la préparation et le contrôle de matrices bidimensionnelles d'atomes de rubidium dans la cavité. Les faisceaux laser se concentrent dans la cavité à l'aide de lentilles pour manipuler des atomes individuels. Cette visée est rendue possible grâce à des dispositifs de haute précision appelés déflecteurs acousto-optiques qui déplacent les lasers aux positions exactes nécessaires.

Pour créer les configurations d'atomes souhaitées, l'expérience commence avec une matrice statique de pinces qui capture aléatoirement des atomes froids d'un piège magnéto-optique. Les atomes sont ensuite refroidis encore plus avec des faisceaux laser qui créent un alignement spécifique. Les chercheurs prennent des images des atomes chargés, puis utilisent ces informations pour ajouter plus de pinces qui réorganisent les atomes en matrices ordonnées.

Le taux de succès pour obtenir une matrice de six atomes s'est considérablement amélioré par rapport aux méthodes précédentes, permettant aux chercheurs de rassembler beaucoup plus d'atomes que ce qui était possible auparavant.

#Séquence d'Opération

Après avoir préparé les atomes, ils sont déplacés des pinces vers un réseau optique bidimensionnel formé de deux pièges à ondes stationnaires. Ce processus assure une meilleure confinement des atomes dans la cavité, ce qui permet de créer des matrices plus larges qu'avec les seules pinces.

Une fois en place, les atomes sont illuminés par des faisceaux laser qui régulent leurs transitions d'état. Les photons émis par les atomes sont principalement dirigés à travers la cavité avec des dispositifs de détection spécialisés, permettant aux chercheurs de changer la base de détection des photons pour une mesure optimale.

Après la configuration initiale, les chercheurs génèrent des paires d'états intriqués atome-photon en pompant les atomes dans l'état correct et en déclenchant progressivement l'émission de photons de chaque atome. Ce processus est soigneusement contrôlé pour s'assurer que les photons émis correspondent correctement aux états des atomes, permettant une intrication efficace.

L'équipe a mesuré la corrélation entre la polarisation des photons émis et les états internes des atomes. Cela leur a permis d'évaluer avec précision la fidélité des états intriqués générés.

#Performance du Registre

La fidélité des états intriqués atome-photon est restée constante à mesure que plus d'atomes étaient ajoutés, indiquant que les erreurs n'augmentaient pas avec la taille du registre de qubits. Cependant, l'efficacité de l'émission de photons variait selon la position des atomes, avec une meilleure efficacité au centre de la cavité.

Les mesures ont montré que lorsqu'un seul atome était préparé, le groupe atteignait une haute fidélité et efficacité. À mesure que des matrices plus grandes étaient formées, la recherche a révélé que l'efficacité atteignait son maximum près du centre et diminuait à mesure que les atomes se déplaçaient vers l'extérieur.

Cette observation a conduit les chercheurs à conclure que, bien que le nombre d'atomes dans une direction soit limité, ils pourraient ajuster le système pour accueillir plus d'atomes le long de l'axe longitudinal de la cavité.

#Expansion de la Matrice

En essayant de créer de plus grandes matrices bidimensionnelles, les chercheurs ont organisé les atomes dans la cavité, en les maintenant séparés efficacement. Cela a été rendu possible grâce à un design unique permettant un couplage atome-cavité maximal au centre.

Le placement des atomes était contraint par la petite largeur du piège à ondes stationnaires. Bien qu'il y ait de la place pour de nombreux atomes, la configuration actuelle ne permettait que deux rangées dans la cavité. Les futures conceptions pourraient inclure des pièges optiques plus grands ou des rangées supplémentaires pour mieux accueillir plus d'atomes.

#Intrication Multiplexée Atome-Photon

Même si un seul atome peut générer et détecter l'intrication avec une probabilité raisonnable, les applications pratiques nécessitent un taux de succès beaucoup plus élevé. Déployer des schémas de multiplexage avec plusieurs émetteurs peut aider à atteindre cet objectif.

Si la probabilité de détecter avec succès un photon intriqué d'un seul atome est connue, ajouter plus d'atomes au registre augmente la chance de détecter au moins une paire intriquée très proche de un. Cette technique permet aux parties communicantes de savoir quel émetteur a produit le photon réussi en fonction des temps et des distances.

#Conclusion

La méthode d'assemblage utilisée pour créer les matrices atomiques a le potentiel d'améliorer les conceptions antérieures de communication quantique, qui avaient de sérieuses limitations en termes d'efficacité. Le nouveau système pourrait gérer beaucoup plus d'atomes, les chercheurs estimant qu'il pourrait accueillir environ 40 le long de l'axe de la cavité et sept dans une direction plus large.

Comme la distance entre les atomes est plus petite que le rayon de blocage, les opérations logiques quantiques devraient être réalisables dans la cavité. L'interconnectivité totale des qubits atomiques pourrait permettre un traitement d'information efficace, différemment des conceptions précédentes qui reposaient généralement sur la décomposition des tâches en opérations plus petites.

En conclusion, ce travail représente un avancement significatif dans la construction d'un réseau quantique pratique capable de traiter et de partager des informations à un niveau auparavant jugé inatteignable. Les résultats pointent vers des développements futurs prometteurs dans les technologies de communication quantique, rendant possible pour les chercheurs de penser à des systèmes à plus grande échelle qui peuvent connecter plusieurs dispositifs quantiques sans effort.