Les ordinateurs quantiques pourraient devenir bien plus puissants si les scientifiques pouvaient les connecter via des réseaux, leur permettant de partager des informations à l’aide de particules de lumière. Cependant, il y a un gros problème.
Les connexions quantiques qui rendent cela possible sont très sensibles. Même de petites perturbations peuvent détruire l’intrication entre les photons et interrompre la communication entre les appareils quantiques.
Aujourd’hui, dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie ont démontré une manière intrigante de préserver une propriété particulière de la lumière quantique même après la rupture de cette connexion.
En utilisant un concept mathématique appelé topologie, ils ont transféré un motif distinctif entre les photons et ont découvert que ce motif restait intact même après que les photons aient perdu leur connexion quantique (intrication).
« C’est comme si le mouvement unique d’un danseur devenait soudainement partie d’un duo et persistait même lorsque les danseurs étaient séparés », a déclaré Liang Feng, auteur principal de l’étude, professeur en science et ingénierie des matériaux à l’Université de Pennsylvanie.
Donner aux photons un motif qui refuse de disparaître
Le secret de l’expérience réside dans une structure appelée skyrmion quantique. Contrairement à un objet conventionnel, sa caractéristique déterminante n’est pas sa forme physique mais un motif impliquant deux propriétés de la lumière : sa rotation, liée à la polarisation, et son moment cinétique orbital, qui décrit la façon dont son front d’onde se tord.
« La lumière oscille dans des directions différentes selon l’endroit où vous l’inspectez. C’est un peu comme si les zones de cheveux de votre tête poussent dans des directions différentes », a déclaré Haoqi Zhao, premier auteur de l’étude et chercheur postdoctoral à Yale.
Ensemble, ces variations créent un motif qui couvre tous les états de polarisation possibles un nombre fixe de fois. Les mathématiciens décrivent cette propriété à l’aide d’un nombre topologique. Ce qui est intéressant, c’est que perturber des portions individuelles du motif ne modifie pas nécessairement ce nombre.
« Pensez à un tourbillon dans les cheveux de quelqu’un. Vous pouvez déplacer des mèches individuelles sans changer le motif global », a ajouté Zhao.
Pour tester si cette résilience mathématique pouvait aider l’information quantique à survivre aux perturbations, l’équipe avait d’abord besoin d’un moyen de créer et de transférer ces modèles à l’aide de photons.
Construire une petite usine de lumière quantique
Les chercheurs ont développé une puce photonique intégrée en nitrure de silicium, un matériau couramment utilisé dans les dispositifs photoniques. Ses composants ont été conçus pour générer des photons intriqués, les diriger sur différents chemins et imprimer un motif skyrmion sur l’un d’eux.
Le processus a commencé par une impulsion laser femtoseconde dirigée vers deux guides d’ondes en spirale sur la puce. Grâce à un processus appelé mélange spontané à quatre ondes, la lumière a généré des paires de photons partageant l’intrication quantique. En termes simples, leurs états quantiques sont devenus liés, même lorsque les photons ont ensuite été séparés.
Un réseau d’interféromètres miniatures dirigeait ensuite les photons à travers différentes parties de la puce. Un photon est entré dans des résonateurs à microanneaux spécialement conçus, où des structures soigneusement disposées sur leurs bords intérieurs et extérieurs produisaient différentes composantes de polarisation et de moment cinétique. La combinaison de ces composants a créé le motif skyrmion souhaité.
Les chercheurs ont ensuite effectué une mesure de la polarisation et de l’impulsion du premier photon, connue sous le nom de mesure de l’état de Bell. Cela a permis au modèle topologique codé dans ce photon d’être transféré dans un état quantique partagé par les deux photons.
L’équipe a vérifié les états résultants à l’aide de la tomographie d’état quantique, une technique qui reconstruit un système quantique à partir de mesures.
Le skyrmion à photon unique d’origine avait un nombre topologique mesuré de 1,981, très proche de la valeur attendue de 2. Les états à deux photons transférés ont montré des valeurs tout aussi élevées, avec une fidélité moyenne de l’état quantique de 89 pour cent, indiquant à quel point l’état produit expérimentalement correspondait à celui prévu.
Près d’une demi-décennie de techniques de raffinage ont été consacrées au développement de la puce, l’équipe fabriquant des prototypes au Singh Center for Nanotechnology de Penn.
« C’est un peu comme construire une usine entière en miniature. Une partie de la puce génère des photons intriqués, une autre les dirige là où ils doivent aller et une autre encore crée le motif skyrmion. Le défi était de faire fonctionner toutes les pièces ensemble », a déclaré Yichi Zhang, l’un des auteurs de l’étude et chercheur à l’Université de Pennsylvanie.
La partie surprenante est arrivée lorsque l’enchevêtrement a disparu
Alors que le système fonctionnait, les chercheurs ont délibérément introduit du bruit dans les photons, y compris une lumière de fond indésirable, pour voir dans quelle mesure le motif transféré pouvait résister aux interférences.
À mesure que les perturbations augmentaient, l’état quantique se détériorait progressivement et l’intrication entre les photons finissait par disparaître. Pourtant, le numéro topologique du skyrmion est resté largement inchangé. Ce schéma ne s’est rompu que lorsque les chercheurs ont introduit des perturbations encore plus fortes.
Cela était particulièrement surprenant car « des travaux antérieurs suggéraient que ces structures dépendaient de l’intrication. Nos résultats montrent que la relation est plus compliquée que nous le pensions », a déclaré Zhao.
Les chercheurs ont également trouvé des preuves de ces corrélations restantes grâce à une mesure appelée discorde quantique. Contrairement à l’intrication, la discorde quantique peut capturer certaines corrélations quantiques qui subsistent même lorsque deux particules ne sont plus intriquées.
Sa persistance suggère que la topologie pourrait être liée à un éventail de relations quantiques plus large que ce que les scientifiques pensaient auparavant.
Cette découverte pourrait éventuellement contribuer à protéger les informations quantiques contre le bruit dans les futurs réseaux quantiques. Cependant, l’expérience n’a pas encore démontré un système de communication pratique fonctionnant sans enchevêtrement.
L’étude est publiée dans la revue Physique naturelle.
