On sait depuis quelques annรฉes que le diamant synthรฉtique est un alliรฉ solide des ordinateurs quantiques : il est capable de maintenir l’รฉtat de superposition โ difficile ร mettre en ลuvre โ pour calculer plusieurs valeurs simultanรฉment. Mais les diamants contiennent des failles, plus connues sous le nom de ยซ centres azote-lacune ยป. Afin de rรฉaliser un internet quantique, des chercheurs de l’universitรฉ nationale de Yokohama ont mis au point une mรฉthode d’interfaรงage pour contrรดler ces failles, par le biais dโune intrication quantique de photons et de spin.
Dans l’informatique quantique, tout repose sur le concept de superposition. Le ยซ qubit ยป โ รฉquivalent quantique des bits d’information dans les systรจmes classiques โ est capable, ร lโรฉtat atomique, de prendre plusieurs valeurs simultanรฉment. Mais ร cause du phรฉnomรจne de dรฉcohรฉrence, les รฉtats superposรฉs sont difficiles ร contrรดler. Le diamant synthรฉtique sโavรจre utile dans le cadre du dรฉveloppement de lโinformatique quantique, car il est capable de maintenir lโรฉtat de superposition tant recherchรฉ.
ร la base, un diamant pur est constituรฉ dโatomes de carbone identiques, rรฉpartis dans une structure en maille rรฉguliรจre. Lorsquโil manque un noyau de carbone dans sa structure cristalline et quโun atome dโazote vient occuper la place adjacente ร cette lacune au sein de la maille (ce qui est un dรฉfaut ponctuel courant), on appelle cela ยซ le centre azote-lacune ยป (ou centre NV). Une telle structure prรฉsente des propriรฉtรฉs de photoluminescence et peut รชtre contrรดlรฉe ร tempรฉrature ambiante en appliquant un champ magnรฉtique, un champ รฉlectrique, un rayonnement micro-ondes ou visible, ou un ensemble de ces stimuli.
Reprรฉsentation schรฉmatique d’un centre azote-lacune dans un cristal de diamant.Il existe cependant un problรจme majeur : le contrรดle de ces failles par un champ magnรฉtique est incompatible avec les dispositifs quantiques existants. Pour รชtre plus clair, imaginons que lโon essaye de connecter ร internet (via le WiFi) lโun des premiers ordinateurs personnels mis au point en 1974. C’est une tรขche difficile, mais pas impossible ! Les deux technologies parlent des langues diffรฉrentes, donc la premiรจre รฉtape consiste ร traduire. Dans le cas des ordinateurs quantiques, le problรจme est similaire, mais plus complexe.
Centre azote-lacune : le contrรดler pour concevoir un internet quantique
Des chercheurs de l’universitรฉ nationale de Yokohama viennent de mettre au point une mรฉthode d’interface pour contrรดler les centres NV du diamant afin de permettre une traduction directe en dispositifs quantiques. ยซย Pour rรฉaliser l’internet quantique, une interface est nรฉcessaire afin de gรฉnรฉrer une intrication quantique ร distance par des photons, qui sont un moyen de communication quantiqueย ยป, a dรฉclarรฉ dans un communiquรฉ Hideo Kosaka, co-auteur de lโรฉtude et professeur au Centre de recherche sur l’information quantique et au Dรฉpartement de physique de l’universitรฉ nationale de Yokohama.
L’internet quantique promis est enracinรฉ dans plus d’un siรจcle de travaux dans lesquels les chercheurs ont dรฉterminรฉ que les photons sont ร la fois des particules et des ondes (dualitรฉ onde-corpuscule). De plus, les deux รฉtats peuvent s’influencer mutuellement et leur nature est enchevรชtrรฉe, mรชme sur de grandes distances. Il sโagit donc de contrรดler l’enchevรชtrement โ ou intrication quantique โ pour communiquer des donnรฉes discrรจtes de maniรจre instantanรฉe et sรฉcurisรฉe. Des recherches antรฉrieures ont dรฉmontrรฉ que cette intrication contrรดlรฉe peut รชtre obtenue en appliquant un champ magnรฉtique aux centres azote-lacune, mais une approche par champ non magnรฉtique reste nรฉcessaire pour se rapprocher de la rรฉalisation de l’internet quantique.
Coupler lโintrication avec le transfert par tรฉlรฉportation quantique
Lโรฉquipe de chercheurs a donc utilisรฉ des ondes polarisรฉes en micro-ondes et en lumiรจre pour emmรชler un photon รฉmis et des qubits de spin gauche. Ces polarisations sont des ondes qui se dรฉplacent perpendiculairement ร la source d’origine, comme les ondes sismiques qui rayonnent horizontalement ร partir d’une faille verticale.
En mรฉcanique quantique, la propriรฉtรฉ de spin (ร droite ou ร gauche) du photon dรฉtermine la faรงon dont la polarisation se dรฉplace, ce qui signifie qu’elle est prรฉvisible et contrรดlable. Dโaprรจs Kosaka, lorsqu’on induit une intrication via cette propriรฉtรฉ dans un champ non magnรฉtique, la connexion semble stable par rapport aux autres variables. ยซ La nature gรฉomรฉtrique des polarisations nous permet de gรฉnรฉrer une intrication quantique ร distance qui rรฉsiste au bruit et aux erreurs de synchronisationย ยป, a-t-il prรฉcisรฉ.
Une expรฉrience montre dรฉjร une fidรฉlitรฉ d’รฉtat d’intrication ร 86,8%. Lโรฉquipe japonaise combinera ultรฉrieurement cette approche avec un transfert d’informations quantiques par tรฉlรฉportation (transfert de lโรฉtat quantique dโun systรจme vers un autre systรจme similaire). Ceci afin de gรฉnรฉrer une intrication quantique et l’รฉchange d’informations qui en rรฉsulte, mรชme entre des points รฉloignรฉs. L’objectif final est de faciliter la mise en place d’un rรฉseau connectรฉ d’ordinateurs quantiques en vue d’รฉtablir un internet quantique.
ยซย La rรฉalisation d’un internet quantique permettra la cryptographie quantique, le calcul quantique distribuรฉ et la dรฉtection quantique sur de longues distances (plus de 1000 kilomรจtres)ย ยป, conclut le chercheur.