L'informatique quantique est une nouvelle technologie de l'information basée sur la mécanique quantique, qui code, calcule et transmet les informations physiques contenues danssystème quantiqueLe développement et l’application de la technologie de l’information quantique nous amèneront dans « l’ère quantique » et permettront d’obtenir 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 les systèmes quantiques dépend de leur capacité à interagir avec la lumière. Cependant, 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 le potentiel d'un cristal moléculaire à base d'ions europium de terres rares (Eu³+) pour des applications dans les systèmes optiques quantiques. Ils ont découvert que la largeur de raie d'émission ultra-étroite de ce cristal moléculaire Eu³+ permet une interaction efficace avec la lumière et présente un intérêt important pourcommunication quantiqueet l'informatique quantique.
Figure 1 : Communication quantique basée sur des cristaux moléculaires d'europium de terres rares
Les états quantiques peuvent être superposés, ce qui permet de superposer l'information quantique. Un seul qubit peut représenter simultanément différents états entre 0 et 1, permettant ainsi le traitement parallèle des données par lots. Par conséquent, la puissance de calcul des ordinateurs quantiques augmentera de manière exponentielle par rapport aux ordinateurs numériques traditionnels. Cependant, pour effectuer des opérations de calcul, la superposition des qubits doit pouvoir persister de manière stable pendant un certain temps. 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 sèches, 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 en technologie quantique. Les ions de terres rares possèdent d'excellentes propriétés optiques et de spin, mais leur intégration est difficile.dispositifs optiquesLes cristaux moléculaires sont plus faciles à intégrer, mais il est difficile d’établir une connexion fiable entre le spin et la 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 : sous excitation laser, Eu³+ peut émettre des photons porteurs d'informations sur le spin nucléaire. Des expériences laser spécifiques permettent de générer une interface optique/spin nucléaire efficace. Sur cette base, les chercheurs ont pu réaliser l'adressage au niveau du spin nucléaire, le stockage cohérent des photons et la première opération quantique.
Pour un calcul quantique efficace, plusieurs qubits intriqués sont généralement nécessaires. Les chercheurs ont démontré que l'Eu³+ présent dans les cristaux moléculaires mentionnés ci-dessus permet l'intrication quantique par couplage de champ électrique parasite, permettant ainsi le traitement de l'information quantique. La présence de multiples ions de terres rares dans les cristaux moléculaires permet d'atteindre des densités de qubits relativement élevées.
Une autre exigence de l'informatique quantique est l'adressabilité des qubits individuels. La technique d'adressage optique utilisée dans ces travaux 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 Eu³+ rapportée dans ces travaux est améliorée d'environ mille fois, permettant ainsi une manipulation optique spécifique des états de spin nucléaire.
Les signaux optiques conviennent également à la distribution d'informations quantiques à longue distance, permettant ainsi de connecter des ordinateurs quantiques pour des communications quantiques à distance. L'intégration de nouveaux cristaux moléculaires Eu³+ dans la structure photonique pourrait être envisagée afin d'améliorer le signal lumineux. Ces travaux utilisent des molécules de terres rares comme base de l'Internet quantique et constituent une étape importante vers les futures architectures de communication quantique.
Date de publication : 02/01/2024