Roman GłogulskiAu cours des dernières décennies, les scientifiques spécialisés en physique quantique et les ingénieurs travaillent au développement de nouveaux systèmes de communication quantique fiables. Ces systèmes pourraient servir de bancs d’essai pour évaluer et améliorer les protocoles de communication.
Récemment, des chercheurs de l’Université de Chicago ont présenté une nouvelle plateforme d’essai pour la communication quantique utilisant des nœuds supraconducteurs séparés et ont démontré une communication bidirectionnelle sur cette plateforme. Leurs travaux, publiés dans Physical Review Letters, pourraient ouvrir de nouvelles voies pour une communication efficace avec des états quantiques complexes dans les circuits supraconducteurs.
« Notre travail se concentre sur le développement de qubits supraconducteurs pour les ordinateurs quantiques modulaires et comme plateforme d’essai pour la communication quantique », a déclaré Andrew Cleland, co-auteur de l’étude. « Ces deux domaines reposent sur la capacité de communiquer de manière cohérente les états quantiques entre les nœuds de qubit, qui sont reliés par un réseau de communication clairsemé, généralement une seule ligne de transmission physique. »
L’étude menée par les scientifiques s’appuie sur deux travaux précédents publiés dans Nature Physics et Nature. Dans ces travaux antérieurs, l’équipe a démontré la capacité à générer une intrication à distance et à envoyer des états quantiques complexes, chacun contenant un qubit.
« Dans notre nouvelle étude, nous avons voulu essayer d’envoyer des états quantiques complexes représentant plusieurs qubits à la fois », a déclaré Cleland. « Pour cela, nous avons chargé l’état quantique dans un résonateur, puis nous avons envoyé l’ensemble de l’état du résonateur à travers la ligne de transmission pour le capturer avec un résonateur d’analyse séparé. »
Les résonateurs, qui présentent une résonance électrique, ont théoriquement un nombre infini de niveaux quantiques. Cela leur permet de stocker théoriquement des états très complexes qui codent les données de plusieurs qubits. Utiliser ces résonateurs pour transmettre et recevoir des données peut augmenter la bande passante disponible.
Dans l’expérience, Cleland et ses collègues ont utilisé deux qubits supraconducteurs, chacun connecté à un résonateur supraconducteur. Chacun de ces résonateurs était ensuite connecté à une ligne de transmission de 2 mètres à l’aide d’un dispositif appelé coupleur variable.
« Nous utilisons un qubit supraconducteur pour ‘programmer’ différents états quantiques dans le résonateur associé à l’aide de méthodes que nous avons développées il y a de nombreuses années », a déclaré Cleland. « Ensuite, nous activons le couplage du résonateur à la ligne de transmission, libérant l’état quantique du résonateur vers la ligne de transmission, où il est transmis comme un ensemble de photons mobiles intriqués (peut-être complexes). Ces photons sont ensuite ‘capturés’ par un autre résonateur à l’aide du processus de libération inverse, et nous utilisons le qubit de ce résonateur pour analyser l’état reçu. Le système peut également transmettre des données dans les deux sens (d’où ‘bidirectionnel’). »
La conception utilisée par les scientifiques a permis la transmission bidirectionnelle de photons uniques à une seule fréquence micro-onde, ainsi que la transmission simultanée de l’état Fock à deux photons |2> dans une direction et de l’état Fock à un photon |1> dans l’autre direction. De plus, ils ont transmis séparément des états de photons Fock complexes |0>+|1> et |0>+|2>.
« Ensuite, nous avons démontré la génération des soi-disant états N00N, qui représentent l’intrication entre deux résonateurs, ce qui donne la génération de l’état intriqué |10>+|01> avec un qubit intriqué entre ces deux résonateurs, puis la génération de l’état |20>+|02>, dans lequel deux qubits ont été intriqués de la même manière », a expliqué Cleland.
« Notre travail démontre une voie réalisable vers une communication haute efficacité avec des états quantiques plus complexes que les photons uniques entre deux nœuds. »
La nouvelle plateforme d’essai pour la communication quantique proposée par Cleland et ses collègues pourrait bientôt ouvrir la voie à de nouvelles recherches et avancées. Elle pourrait être utilisée pour le calcul distribué, où chaque nœud dans le circuit effectue des calculs et communique efficacement les résultats à un autre nœud. De plus, elle pourrait être appliquée pour démontrer des systèmes où deux nœuds partagent un état complexe et effectuent des manipulations différentes dessus.
« Notre plateforme peut également être utilisée pour la communication quantique, où par exemple, des informations quantiques encodées d’une certaine complexité peuvent être envoyées en une seule transmission », a ajouté Cleland. « Actuellement, nous travaillons sur plusieurs aspects différents de cette expérience, tels que l’augmentation du nombre de nœuds (qui était de deux dans notre dernière expérience), l’amélioration de la précision du processus et l’exploration de ce qui est possible avec un plus grand nombre de canaux de communication simultanés. »
