L'informatique quantique est une nouvelle technologie de l'information basée sur la mécanique quantique, qui encode, calcule et transmet l'information physique contenue danssystème quantiqueLe développement et l'application des technologies de l'information quantique nous feront entrer dans « l'ère quantique » et permettront une plus grande efficacité au travail, des méthodes de communication plus sûres et un mode de vie plus pratique et plus écologique.
L'efficacité de la communication entre systèmes quantiques dépend de leur capacité à interagir avec la lumière. Or, il est très difficile de trouver un matériau capable d'exploiter pleinement les propriétés quantiques de l'optique.
Récemment, une équipe de recherche de l'Institut de chimie de Paris et de l'Institut de technologie de Karlsruhe a démontré conjointement le potentiel d'un cristal moléculaire à base d'ions europium (Eu³⁺), une terre rare, pour des applications dans les systèmes optiques quantiques. Ils ont découvert que l'émission à largeur de raie ultra-étroite de ce cristal moléculaire Eu³⁺ permet une interaction efficace avec la lumière et présente un intérêt majeur dans…communication quantiqueet l'informatique quantique.
Figure 1 : Communication quantique basée sur des cristaux moléculaires d'europium (terre rare)
Les états quantiques peuvent se superposer, et donc l'information quantique peut se superposer. Un seul qubit peut représenter simultanément une variété d'états différents entre 0 et 1, permettant ainsi le traitement parallèle des données par lots. De ce fait, la puissance de calcul des ordinateurs quantiques augmentera de façon exponentielle par rapport aux ordinateurs numériques classiques. Cependant, pour effectuer des opérations de calcul, la superposition des qubits doit pouvoir persister de manière stable pendant une certaine durée. En mécanique quantique, cette période de stabilité est appelée durée de vie de cohérence. Les spins nucléaires des molécules complexes peuvent atteindre des états de superposition avec de longues durées de vie à sec, car l'influence de l'environnement sur les spins nucléaires est efficacement atténuée.
Les ions de terres rares et les cristaux moléculaires sont deux systèmes utilisés en technologie quantique. Les ions de terres rares possèdent d'excellentes propriétés optiques et de spin, mais leur intégration dans les dispositifs quantiques est complexe.dispositifs optiquesLes cristaux moléculaires sont plus faciles à intégrer, mais il est difficile d'établir un lien fiable entre le spin et la lumière car les bandes d'émission sont trop larges.
Les cristaux moléculaires de terres rares développés dans le cadre de ce travail combinent avantageusement les deux approches : sous excitation laser, Eu³⁺ peut émettre des photons porteurs d’informations sur le spin nucléaire. Grâce à des expériences laser spécifiques, une interface optique/spin nucléaire efficace peut être générée. Sur cette base, les chercheurs ont ensuite réalisé l’adressage au niveau du spin nucléaire, le stockage cohérent de photons et l’exécution de la première opération quantique.
Pour un calcul quantique efficace, plusieurs qubits intriqués sont généralement nécessaires. Les chercheurs ont démontré que l'ion Eu³⁺ présent dans les cristaux moléculaires mentionnés ci-dessus peut atteindre l'intrication quantique grâce au couplage par champ électrique parasite, permettant ainsi le traitement de l'information quantique. La présence de plusieurs ions de terres rares dans ces cristaux moléculaires permet d'atteindre des densités de qubits relativement élevées.
Une autre condition nécessaire à l'informatique quantique est l'adressabilité des qubits individuels. La technique d'adressage optique présentée ici permet d'améliorer la vitesse de lecture et d'éviter les interférences du signal du circuit. Comparée aux études précédentes, la cohérence optique des cristaux moléculaires d'Eu³⁺ décrite dans ce travail est améliorée d'un facteur mille environ, permettant ainsi une manipulation optique précise des états de spin nucléaire.
Les signaux optiques conviennent également à la distribution d'informations quantiques à longue distance, permettant la connexion d'ordinateurs quantiques pour la communication quantique à distance. L'intégration de nouveaux cristaux moléculaires d'Eu³⁺ dans la structure photonique afin d'amplifier le signal lumineux pourrait être étudiée plus en détail. Ce travail utilise des molécules de terres rares comme base pour l'Internet quantique et constitue une avancée importante vers les futures architectures de communication quantique.
Date de publication : 2 janvier 2024