Des chercheurs japonais annoncent une avancée quantique à température ambiante - Analyse de l'actualité du calcul haute performance

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Le professeur agrégé Mark Sadgrove et M. Kaito Shimizu de TUS ainsi que le professeur Kae Nemoto de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa faisaient également partie de cette étude. Cette nouvelle source de lumière à photon unique élimine le besoin de systèmes de refroidissement coûteux et a le potentiel de rendre les réseaux quantiques plus rentables et plus accessibles.

« Les sources lumineuses à photons uniques sont des dispositifs qui contrôlent les propriétés statistiques des photons, qui représentent les plus petites unités énergétiques de la lumière », explique le Dr Sanaka. « Dans cette étude, nous avons développé une source de lumière à photon unique utilisant un matériau de fibre optique dopé avec des éléments RE optiquement actifs. Nos expériences révèlent également qu’une telle source peut être générée directement à partir d’une fibre optique à température ambiante.

L'ytterbium est un élément RE doté de propriétés optiques et électroniques favorables, ce qui en fait un candidat approprié pour le dopage de la fibre. Il a une structure de niveau d'énergie simple et l'ion ytterbium dans son état excité a une longue durée de vie de fluorescence, d'environ une milliseconde.

Les émetteurs quantiques de photons uniques connectent mécaniquement des bits quantiques (ou qubits) entre les nœuds des réseaux quantiques. Ils sont généralement fabriqués en incorporant des éléments de terres rares dans des fibres optiques à des températures extrêmement basses. Aujourd'hui, des chercheurs japonais, dirigés par le professeur agrégé Kaoru Sanaka de l'Université des sciences de Tokyo, ont développé une fibre optique dopée à l'ytterbium à température ambiante. En évitant le recours à des solutions de refroidissement coûteuses, la méthode proposée offre une plate-forme rentable pour les applications quantiques photoniques.

Les systèmes quantiques promettent un calcul plus rapide et un cryptage plus fort pour les systèmes de calcul et de communication. Ces systèmes peuvent être construits sur des réseaux de fibres impliquant des nœuds interconnectés constitués de qubits et de générateurs de photons uniques créant des paires de photons intriqués.

À cet égard, les atomes et ions de terres rares (RE) présents dans les matériaux solides sont très prometteurs en tant que générateurs de photons uniques. Ces matériaux sont compatibles avec les réseaux de fibres et émettent des photons sur une large gamme de longueurs d'onde. En raison de leur large gamme spectrale, les fibres optiques dopées avec ces éléments RE pourraient être utilisées dans diverses applications, telles que les télécommunications en espace libre, les télécommunications basées sur les fibres, la génération de nombres aléatoires quantiques et l'analyse d'images à haute résolution. Cependant, jusqu’à présent, des sources lumineuses à photons uniques ont été développées à l’aide de matériaux cristallins dopés au RE à des températures cryogéniques, ce qui limite les applications pratiques des réseaux quantiques basés sur ceux-ci.

Pour fabriquer la fibre optique dopée à l'ytterbium, les chercheurs ont effilé une fibre dopée à l'ytterbium disponible dans le commerce en utilisant une technique de chaleur et de traction, dans laquelle une section de la fibre est chauffée puis tirée avec tension pour réduire progressivement son diamètre.

Dans la fibre effilée, les atomes RE individuels émettent des photons lorsqu’ils sont excités par un laser. La séparation entre ces atomes RE joue un rôle crucial dans la définition des propriétés optiques de la fibre. Par exemple, si la séparation moyenne entre les atomes RE individuels dépasse la limite de diffraction optique, qui est déterminée par la longueur d'onde des photons émis, la lumière émise par ces atomes semble provenir d'amas plutôt que de sources individuelles distinctes.

Pour confirmer la nature de ces photons émis, les chercheurs ont utilisé une méthode analytique appelée autocorrélation, qui évalue la similarité entre un signal et sa version retardée. En analysant le modèle de photons émis par autocorrélation, les chercheurs ont observé des émissions non résonantes et ont en outre obtenu des preuves de l'émission de photons à partir d'un seul ion ytterbium dans le filtre dopé.

Bien que la qualité et la quantité de photons émis puissent être encore améliorées, la fibre optique développée avec des atomes d'ytterbium peut être fabriquée sans avoir recours à des systèmes de refroidissement coûteux. Cela surmonte un obstacle important et ouvre les portes à diverses technologies d’information quantique de nouvelle génération. «Nous avons démontré une source de lumière à photon unique à faible coût avec une longueur d'onde sélectionnable et sans avoir besoin d'un système de refroidissement. À l’avenir, cela pourrait permettre diverses technologies d’information quantique de nouvelle génération, telles que de véritables générateurs de nombres aléatoires, la communication quantique, les opérations logiques quantiques et l’analyse d’images haute résolution au-delà de la limite de diffraction », conclut le Dr Sanaka.