Un commutateur de communication quantique

Internet est fait de photons qui traversent des câbles à fibres optiques et traversent des dispositifs tels que des commutateurs, des modulateurs et des amplificateurs. Mais ces appareils standard seraient inadéquats pour l'informatique ou les communications quantiques ultrarapides - des approches expérimentales qui exploitent les propriétés particulières des particules à l'échelle quantique pour effectuer des calculs complexes incroyablement rapidement ou pour empêcher quiconque d'écouter des messages.

Allume le: Les composants montrés ici peuvent rediriger les photons intriqués.

Les commutateurs commerciaux présentent divers problèmes qui les rendent inadaptés au réacheminement des photons intriqués. Ceux qui sont constitués de composants micro-électromécaniques gardent intacts les états intriqués, mais fonctionnent trop lentement. D'autres commutateurs opto-électroniques ajoutent trop de bruit de sorte que les photons uniques sont difficiles à détecter, ou détruisent complètement l'information quantique.

Prem Kumar , professeur de génie électrique et d'informatique à l'Université Northwestern, a développé un commutateur de routage quantique qui peut transporter des photons enchevêtrés le long de divers chemins tout en préservant l'information quantique.

L'appareil pourrait être particulièrement utile pour l'informatique quantique, selon James Franson , professeur de physique à l'Université du Maryland, comté de Baltimore. Pour construire un ordinateur quantique utilisant des photons, nous avons besoin de la capacité de commuter des photons [intriqués], explique Franson. Un commutateur quantique pourrait également permettre un jour de partager des photons intriqués provenant de différents ordinateurs quantiques sur de longues distances, comme le cloud computing, mais avec des informations quantiques.

Kumar affirme que le commutateur fera également des réseaux quantiques ultra-sécurisés une réalité. Les informations d'aujourd'hui sont généralement sécurisées à l'aide de ce qu'on appelle le cryptage à clé publique, qui repose sur l'impossibilité pratique d'effectuer certaines tâches mathématiques, comme la factorisation de nombres extrêmement grands. Les réseaux quantiques offriraient une alternative encore plus sûre au cryptage à clé publique. L'utilisation de photons intriqués pour communiquer garantit la sécurité, car toute tentative d'interception d'un message perturberait l'état quantique des particules.

Pour construire le nouveau commutateur quantique, les chercheurs ont utilisé un câble à fibre optique commercial et d'autres composants optiques standard, explique Kumar. Mon objectif est de faire des choses dans l'espace de l'information quantique qui soient très compatibles avec les infrastructures de fibre existantes, dit-il.

La première étape consiste à préparer les photons. Les photons intriqués ont des propriétés, telles que la polarisation, qui sont fondamentalement liées. Si deux photons sont intriqués, la polarisation mesurée de l'un révèle l'état correspondant de l'autre. Les chercheurs ont utilisé une technique dans laquelle ils ont mélangé plusieurs longueurs d'onde de lumière dans une fibre standard pour créer des paires de photons enchevêtrés.

L'étape suivante consiste à envoyer un photon le long de la fibre optique jusqu'au commutateur, ce qui modifie le cours du photon. Le commutateur des chercheurs est composé uniquement de composants optiques, dont une bobine de 100 mètres de fibre optique disposée en boucle. Un photon d'une paire enchevêtrée est envoyé à une extrémité de la boucle et à travers un multiplexeur, tandis qu'un laser puissant envoie des impulsions lumineuses dans la bobine. Le photon est déplacé de telle manière qu'à l'autre extrémité de la boucle il se sépare le long d'un chemin séparé, tout en restant intriqué avec son partenaire.

Le résultat final est un commutateur qui est très rapide, a un faible bruit de fond et, surtout, préserve les informations quantiques. Des détecteurs de photons uniques à l'extrémité des fibres confirment que les deux photons ont maintenu leur état intriqué, montrant que l'information quantique a été préservée. Le travail est décrit dans un numéro récent de la revue Lettres d'examen physique .

C'est un développement important, car le changement de photons est vraiment la principale différence pour progresser dans l'informatique quantique utilisant des photons, explique Franson.

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