La technologie de l'information quantique est une nouvelle technologie de l'information basée sur la mécanique quantique, qui code, calcule et transmet les informations physiques contenues danssystème quantique. Le développement et l'application de la technologie de l'information quantique nous feront entrer dans « l'ère quantique » et permettront d'atteindre une plus grande efficacité de travail, des méthodes de communication plus sécurisées et un mode de vie plus pratique et plus écologique.
L’efficacité de la communication entre les systèmes quantiques dépend de leur capacité à interagir avec la lumière. Cependant, il est très difficile de trouver un matériau capable de tirer pleinement parti des 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 ensemble le potentiel d'un cristal moléculaire à base d'ions europium de terres rares (Eu³ +) pour des applications dans les systèmes quantiques d'optique. 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 une valeur importante danscommunication quantiqueet l'informatique quantique.
Figure 1 : Communication quantique basée sur des cristaux moléculaires d'europium de terres rares
Les états quantiques peuvent être superposés, de sorte que les informations quantiques peuvent être superposées. Un seul qubit peut représenter simultanément une variété d’états différents entre 0 et 1, permettant aux données d’être traitées en parallèle par lots. En conséquence, la puissance de calcul des ordinateurs quantiques augmentera de façon exponentielle par rapport aux ordinateurs numériques traditionnels. Cependant, pour effectuer des opérations de calcul, la superposition de qubits doit pouvoir persister de manière stable pendant un certain temps. En mécanique quantique, cette période de stabilité est connue sous le nom de durée de vie de cohérence. Les spins nucléaires de 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 protégée.
Les ions de terres rares et les cristaux moléculaires sont deux systèmes utilisés dans la technologie quantique. Les ions de terres rares ont d'excellentes propriétés optiques et de spin, mais ils sont difficiles à intégrer dansappareils optiques. Les cristaux moléculaires sont plus faciles à intégrer, mais il est difficile d’établir une connexion fiable entre spin et lumière car les bandes d’émission sont trop larges.
Les cristaux moléculaires de terres rares développés dans ce travail combinent parfaitement les avantages des deux dans la mesure où, sous excitation laser, Eu³ + peut émettre des photons transportant des informations sur le spin nucléaire. Grâce à des expériences laser spécifiques, une interface de spin optique/nucléaire efficace peut être générée. Sur cette base, les chercheurs ont ensuite réalisé l’adressage au niveau du spin nucléaire, le stockage cohérent des photons et l’exécution de la première opération quantique.
Pour une informatique quantique efficace, plusieurs qubits intriqués sont généralement nécessaires. Les chercheurs ont démontré que Eu³ + dans les cristaux moléculaires ci-dessus peut réaliser une intrication quantique grâce au couplage de champs électriques parasites, permettant ainsi le traitement de l'information quantique. Étant donné que les cristaux moléculaires contiennent plusieurs ions de terres rares, des densités de qubits relativement élevées peuvent être obtenues.
Une autre exigence de l’informatique quantique est l’adressabilité des qubits individuels. La technique d'adressage optique utilisée dans ce travail peut améliorer la vitesse de lecture et empêcher les interférences du signal du circuit. Par rapport aux études précédentes, la cohérence optique des cristaux moléculaires Eu³ + rapportée dans ce travail est améliorée d'environ mille fois, de sorte que les états de spin nucléaire peuvent être manipulés optiquement d'une manière spécifique.
Les signaux optiques conviennent également à la distribution d’informations quantiques sur de longues distances afin de connecter des ordinateurs quantiques pour une communication quantique à distance. Une réflexion plus approfondie pourrait être accordée à l'intégration de nouveaux cristaux moléculaires Eu³ + dans la structure photonique pour améliorer le signal lumineux. Ce travail utilise des molécules de terres rares comme base de l’Internet quantique et constitue une étape importante vers les futures architectures de communication quantique.
Heure de publication : 02 janvier 2024