Optimiser la visibilité dans les ordinateurs quantiques optiques

Les ordinateurs quantiques attirent de plus en plus l'attention en tant que technologies de prochaine génération, et différents systèmes physiques sont à l'étude. Une approche prometteuse consiste à utiliser la lumière dans les ordinateurs quantiques optiques. Ces ordinateurs fonctionnent en utilisant des séparateurs de faisceau pour permettre à la Lumière Quantique d'interagir, suivie de détecteurs. En particulier, les états de cluster - des groupes spéciaux de particules intriquées - servent de ressources clés pour le traitement quantique basé sur des mesures. Récemment, des scientifiques ont démontré des états de cluster très grands en utilisant une méthode appelée multiplexage dans le domaine temporel, qui utilise des configurations optiques spécifiques. Cette méthode montre comment la lumière quantique peut être gérée plus efficacement que d'autres systèmes comme les qubits supraconducteurs.

Pour exploiter pleinement les propriétés uniques de la lumière quantique, une haute Visibilité d'interférence est nécessaire dans les configurations optiques. Pour des performances optimales, les modes spatiaux et de Polarisation des faisceaux lumineux doivent s'aligner. Dans les systèmes en espace libre, bien qu'il soit possible d'aligner les faisceaux, cela peut prendre du temps. Au fil du temps, la position des faisceaux peut changer, réduisant la visibilité. Les systèmes d'auto-alignement peuvent résoudre ce problème, mais ils nécessitent souvent des compromis. À l'inverse, les fibres optiques peuvent offrir des systèmes sans entretien avec presque 100 % de visibilité si les polarités correspondent correctement.

Cependant, maintenir la polarisation dans les systèmes à fibre est un vrai défi, même avec des fibres à maintien de polarisation. Cela est dû aux rapports d'extinction de polarisation finis dans les composants de fibre comme les séparateurs de faisceau et les connecteurs. Lorsqu'une configuration de fibre optique est construite, des polarités mal assorties entraînent une visibilité réduite, un problème connu sous le nom de dégradation de visibilité.

Pour la lumière classique, l'amélioration de la visibilité peut être réalisée en utilisant des contrôleurs de polarisation à fibre en ligne commerciaux. Il y a deux types communs : l'un utilise des fibres non-maintenant de polarisation enroulées autour de bobines, tandis que l'autre applique une contrainte à l'aide d'actionneurs piézoélectriques. Bien que ces contrôleurs fonctionnent bien avec la lumière classique, ils entraînent des pertes optiques qui ne conviennent pas à la nature délicate de la lumière quantique. La lumière quantique ne peut pas tolérer de fortes pertes, ce qui rend crucial pour les contrôleurs de polarisation de minimiser la perte optique.

Dans cet article, nous introduisons une nouvelle méthode pour optimiser la visibilité dans un interféromètre à fibre en contrôlant la polarisation d'une manière spécifique, que nous appelons la méthode Circle-Circle Crosspoint (CCC). Cette technique utilise des étireurs de fibre pour réaliser un contrôle de polarisation à faible perte. Nos expériences ont montré que cette méthode peut maintenir la visibilité au-dessus de 99,9 % pendant de longues périodes, rendant les systèmes à fibre plus viables pour les ordinateurs quantiques pratiques.

#Introduction aux ordinateurs quantiques

Les ordinateurs quantiques émergent comme des outils de calcul puissants. Ils fonctionnent différemment des ordinateurs traditionnels en utilisant des bits quantiques, ou qubits, qui peuvent représenter plusieurs états à la fois. Cette capacité leur permet de réaliser des calculs complexes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques.

Au cœur de nombreux protocoles de calcul quantique se trouve le concept d'intrication - une connexion spéciale entre les particules qui leur permet de partager des informations instantanément, peu importe la distance. Une manière de créer et d'utiliser ces États intriqués pour le calcul est d'utiliser la lumière et des systèmes optiques.

Dans les ordinateurs quantiques optiques, les faisceaux lumineux passent à travers des dispositifs appelés séparateurs de faisceau. Ces dispositifs divisent la lumière en deux chemins, où la lumière peut être manipulée pour créer des états intriqués connus sous le nom d'états de cluster. Ces états de cluster peuvent ensuite être utilisés pour effectuer des calculs par le biais de mesures. L'exactitude des mesures dépend fortement de l'alignement des faisceaux lumineux, ce qui exige une haute visibilité d'interférence.

#Importance de la visibilité dans les systèmes quantiques

Une haute visibilité est cruciale dans les systèmes optiques pour le calcul quantique. La visibilité fait référence à la clarté avec laquelle différents motifs lumineux peuvent être distingués lorsqu'ils interfèrent les uns avec les autres. Lorsque la visibilité est élevée, cela indique une meilleure interférence et donc une qualité supérieure de l'information quantique traitée.

Pour atteindre une haute visibilité, les modes spatiaux et de polarisation de la lumière doivent s'aligner correctement. Dans les systèmes en espace libre, atteindre cet alignement peut être fastidieux et peut nécessiter des ajustements constants. Au fil du temps, des décalages peuvent se produire dans les positions des faisceaux qui dégradent encore plus la visibilité. Bien que certaines solutions existent, elles peuvent être complexes et mener à des problèmes de visibilité.

En utilisant des fibres optiques, la situation s'améliore quelque peu. Les fibres optiques permettent à la configuration d'être plus stable et moins sujette aux changements environnementaux. Si les polarités correspondent correctement dans les fibres, une visibilité presque parfaite peut être maintenue.

#Défis dans les systèmes de fibre

Maintenir la polarisation correcte dans les systèmes à fibre optique peut être difficile. Même avec des fibres à maintien de polarisation, le rapport d'extinction de polarisation fini des composants de fibre peut conduire à des polarités mal assorties et à une perte de visibilité. Le défi devient encore plus prononcé lorsque les fibres sont interconnectées via des connecteurs ou des épissures.

Dans les systèmes optiques classiques, divers types de contrôleurs de polarisation à fibre peuvent aider à atténuer les problèmes de visibilité. Cependant, ces contrôleurs impliquent souvent des fibres non-maintenant de polarisation, ce qui peut introduire des pertes optiques indésirables. De telles pertes sont acceptables dans les systèmes de lumière classique mais problématiques pour la lumière quantique.

La lumière quantique est particulièrement sensible aux pertes. Des études ont montré que les systèmes de calcul quantique ne peuvent tolérer que des niveaux très faibles de perte optique - bien moins que ce qui est considéré comme normal pour les systèmes classiques.

#Notre approche : Méthode Circle-Circle Crosspoint

Nous proposons une méthode pour optimiser la visibilité d'interférence en contrôlant les états de polarisation à un point d'intersection spécifique sur la sphère de Poincaré - un modèle pour représenter les états de polarisation de la lumière. Cette méthode, que nous appelons la méthode Circle-Circle Crosspoint (CCC), est exécutée à l'aide d'étireurs de fibre, qui sont des dispositifs qui tirent ou exercent une force sur les fibres pour ajuster leurs états de polarisation avec une perte minime.

La méthode CCC nous permet de maintenir une haute visibilité tout en gardant les pertes optiques très faibles. Dans nos expériences, nous avons démontré que la visibilité pouvait être maintenue au-dessus de 99,9 % pendant de longues périodes - spécifiquement, trois heures - avec des pertes optiques aussi faibles que 0,02 dB (0,5 %).

#Comment fonctionne la méthode CCC

En essence, la méthode CCC implique d'ajuster les polarités à un point d'intersection de deux trajectoires circulaires sur la sphère de Poincaré tracées par deux faisceaux lumineux. Lorsque les faisceaux lumineux sont légèrement mal alignés sur les axes de polarisation, ils suivent des trajectoires circulaires. L'objectif est d'ajuster les polarités à l'endroit où ces trajectoires se croisent. En réglant soigneusement les étireurs de fibre ou les chauffages, nous pouvons atteindre les états de polarisation souhaités.

Cette méthode est particulièrement efficace car elle peut être mise en œuvre en utilisant uniquement des fibres à maintien de polarisation. Cela diffère des méthodes traditionnelles qui reposent souvent sur des fibres non-maintenant de polarisation, ce qui peut augmenter les pertes optiques. En s'en tenant aux fibres à maintien de polarisation, nous réduisons les problèmes de connecteurs, ce qui minimise encore plus les pertes.

#Validation expérimentale de la méthode CCC

Pour valider notre méthode, nous avons construit un montage expérimental pour surveiller la visibilité dans le temps. Lors des tests, nous avons utilisé des étireurs de fibre pour contrôler les polarités de la lumière et maintenir la visibilité au-dessus de 99,9 %. C'est une amélioration significative par rapport aux expériences précédentes où la visibilité pouvait tomber autour de 98 % sans contrôle de polarisation.

Les étireurs de fibre utilisés dans notre expérience ont montré des pertes optiques très faibles, confirmant que notre méthode CCC fournit une approche solide pour le contrôle de polarisation dans les systèmes quantiques.

#Implications pour l'informatique quantique

Les avancées démontrées grâce à la méthode CCC indiquent que les systèmes à fibre peuvent être très avantageux pour l'informatique quantique. La capacité à maintenir une haute visibilité pendant de longues périodes sans perte significative est cruciale pour un traitement fiable de l'information quantique.

Avec la méthode CCC, les systèmes peuvent également être contrôlés électriquement, permettant des ajustements automatisés qui pourraient rendre les systèmes plus robustes dans des applications réelles. De plus, la flexibilité de la méthode signifie qu'elle peut être adaptée pour des configurations avec plusieurs points d'interférence, garantissant des performances optimisées dans tout le système.

#Conclusion

La méthode Circle-Circle Crosspoint présente une avenue prometteuse pour améliorer le calcul quantique optique en renforçant la visibilité d'interférence dans les systèmes à fibre. En utilisant des étireurs de fibre pour maintenir les états de polarisation avec une perte minimale, nous pouvons réaliser des opérations quantiques très stables et efficaces. Cette méthode ouvre de nouvelles possibilités pour des implémentations pratiques et fiables d'ordinateurs quantiques, menant finalement à des avancées dans le domaine.

Les recherches décrites ouvrent la voie à d'autres innovations dans l'informatique quantique utilisant des systèmes optiques et renforcent le potentiel des technologies à fibre optique pour façonner l'avenir du calcul. Alors que nous continuons à explorer et à affiner ces méthodes, la promesse de l'informatique quantique devient de plus en plus tangible, révolutionnant potentiellement notre manière de traiter l'information.