Les chercheurs démontrent le transfert d'état multi-photon entre des nœuds supraconducteurs distants.

10 février 2024 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Au cours des dernières décennies, les physiciens et ingénieurs quantiques ont cherché à développer de nouveaux systèmes de communication quantique fiables. Ces systèmes pourraient éventuellement servir de banc d'essai pour évaluer et améliorer les protocoles de communication.

Des chercheurs de l'Université de Chicago ont récemment introduit un nouveau banc d'essai de communication quantique avec des nœuds supraconducteurs à distance et ont démontré une communication bidirectionnelle multiphotonique sur ce banc d'essai. Leur article, publié dans Physical Review Letters, pourrait ouvrir une nouvelle voie vers la réalisation d'une communication efficace d'états quantiques complexes dans des circuits supraconducteurs.

'Nous développons des qubits supraconducteurs pour l'informatique quantique modulaire et comme banc d'essai de communication quantique', a déclaré Andrew Cleland, co-auteur de l'article, à Phys.org. 'Les deux reposent sur la capacité à communiquer de manière cohérente des états quantiques entre des "nœuds" de qubits qui sont connectés les uns aux autres par un réseau de communication clairsemé, généralement une seule ligne de transmission physique.'

L'étude récente des chercheurs s'appuie sur deux articles de recherche précédents publiés dans Nature Physics et Nature. Dans ces travaux précédents, l'équipe a démontré qu'elle pouvait générer un entrelacement distant et envoyer des états quantiques complexes, ce dernier étant un qubit à la fois.

'Dans notre nouvelle étude, nous voulions essayer d'envoyer des états quantiques complexes représentant plusieurs qubits en même temps', a déclaré Cleland. 'Pour ce faire, nous avons chargé l'état quantique à envoyer dans un résonateur, puis envoyé l'ensemble de l'état du résonateur dans la ligne de transmission, l'attrapant avec un résonateur distant pour une analyse ultérieure.'

Les résonateurs, des dispositifs qui présentent une résonance électrique, ont un nombre théoriquement infini de niveaux quantiques. Par conséquent, ils sont théoriquement capables de stocker des états très complexes qui codent plusieurs qubits de données. Grâce à ces caractéristiques avantageuses, l'utilisation de résonateurs pour envoyer et recevoir des données pourrait augmenter la bande passante disponible.

Dans leur expérience, Cleland et ses collègues ont utilisé deux qubits supraconducteurs, chacun étant connecté à un résonateur supraconducteur réglable. Chacun de ces résonateurs était à son tour connecté à une ligne de transmission de 2 m de long via un dispositif appelé coupleur variable.

'Nous utilisons un qubit supraconducteur pour "programmer" différents états quantiques dans son résonateur compagnon, en utilisant des méthodes que nous avons établies il y a de nombreuses années', a déclaré Cleland.

'Nous activons ensuite le couplage du résonateur à la ligne de transmission, libérant l'état quantique (éventuellement complexe) du résonateur dans la ligne de transmission, où il est transmis sous la forme d'un ensemble (éventuellement complexe) de photons mobiles entrelacés. Ceux-ci sont ensuite "attrapés" par l'autre résonateur en utilisant l'inverse du processus de libération, et nous utilisons le qubit de ce résonateur pour analyser l'état reçu. Le système peut transmettre dans les deux sens de manière équitable (d'où "bidirectionnel").'

La conception mise en œuvre par les chercheurs leur a permis de réaliser la transmission bidirectionnelle de photons à une seule fréquence micro-onde, ainsi que la transmission simultanée d'un état Fock à deux photons |2> dans une direction avec la transmission d'un état Fock à un photon |1> dans l'autre direction, ainsi que la transmission (séparée) d'états Fock de photons superposés |0>+|1> et |0>+|2>.

'Nous avons ensuite montré la génération de ce que l'on appelle des états N00N, représentant un entrelacement entre les deux résonateurs, réalisant finalement d'abord la génération de l'état entrelacé |10>+|01> avec un photon "partagé" entre les deux résonateurs, puis la génération de l'état |20>+|02>, avec deux photons "partagés" de la même manière', a déclaré Cleland.

'Dans l'ensemble, notre travail démontre une voie réalisable vers une communication hautement efficace d'états quantiques plus complexes que de simples photons entre deux nœuds.'

Le nouveau banc d'essai de communication quantique introduit par Cleland et ses collègues pourrait bientôt ouvrir la voie à de nouveaux travaux et progrès. Tout d'abord, il pourrait être utilisé pour réaliser l'informatique distribuée, dans laquelle chaque nœud d'un circuit effectue des calculs et communique efficacement les résultats à un autre nœud. De plus, il pourrait être utilisé pour démontrer des systèmes dans lesquels deux nœuds partagent un état complexe, et chacun effectue des manipulations distinctes sur cet état.

'Notre plateforme pourrait également être utilisée pour la communication quantique, où, par exemple, des informations quantiques codées d'une certaine complexité pourraient être transmises en une seule opération', a ajouté Cleland.

'We are now working on a number of different aspects of this experiment; for instance, we plan on increasing the number of nodes (which were two in our recent experiment), increasing the fidelity of the process, and exploring what is possible if we have more communication channels in parallel.'

Journal information: Nature , Physical Review Letters , Nature Physics , arXiv

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