Vers un ordinateur quantique basé sur l'optique non-linéaire

Une équipe de l'Université de Vienne et de l'Académie des Sciences autrichienne, en collaboration avec trois chercheurs du Canada, d'Australie et du Japon, a conçu et testé expérimentalement un tout nouveau concept, sérieux candidat à la création d'un ordinateur quantique (article publié dans Nature).

Les photons, futures bases de l'ordinateur quantique ?

Les chercheurs, parmi lesquels Anton Zeilinger, physicien autrichien souvent cité comme prix Nobel potentiel, ont mis au point une technique permettant de doubler de façon efficiente un photon et de faire interagir deux photons. Ce processus, en théorie déterministe (au contraire d'autres processus existants qui sont, eux, probabilistes par essence et donc difficilement utilisables pour la mise au point d'un ordinateur quantique fonctionnel), fournit une nouvelle façon de générer et d'analyser des états complexes à des fins d'applications pour l'informatique quantique photonique. Les photons, particules de lumière, sont en effet d'excellents porteurs d'information quantique: ce sont par exemple eux qui ont été utilisés lors des premières expériences d'intrication.

L'ordinateur quantique est un appareil - pour l'instant encore au stade de fiction - qui s'appuie sur l'utilisation des qubits, c'est-à-dire des bits quantiques. Là où un ordinateur classique opère en manipulant des bits, grandeurs discrètes valant soit 0 soit 1, un ordinateur quantique travaille avec des grandeurs en état de superpositions des valeurs 0 et 1, suivant les propriétés quantiques de superpositions d'états. En conjonction avec des algorithmes particuliers, cette particularité permettrait à un ordinateur quantique d'effectuer certains types de calculs à une vitesse bien plus élevée qu'un ordinateur classique.

Détails de l'expérience

La technique mise au point, baptisée "conversion cohérente de photons" ("coherent photonic conversion"), est basée sur le contrôle des propriétés de non-linéarité des fibres optiques. En effet, le degré de non-linéarité y dépend de l'intensité de la lumière incidente ; par conséquent plus le champ laser est fort, plus la non-linéarité est marquée. Or si dans un matériau linéaire, les rayons de lumière n'interagissent pas entre eux, c'est le cas dans un matériau non-linéaire.

Ainsi, la technique autorise une conversion cohérente entre différents états des photons. En pratique, si l'on ajoute à un premier laser un second d'une longueur d'onde différente et d'intensité plus faible, il est possible de doubler des photons uniques: pour un photon injecté, deux photons sont produits - et ce avec une probabilité théorique de 100%, donc de façon déterministe. Ce doublement de photons déterministe représente une solution au problème de la préparation et de la mesure des qubits. Un autre aspect important est que le montage permet de faire interagir deux photons, ce qui ouvre le chemin à la réalisation de portes logiques quantiques, éléments de base d'un ordinateur quantique.

Les physiciens ont pu prouver la faisabilité du concept par l'expérimentation. La production de paires de photons dans l'expérience n'atteint néanmoins pas encore le stade du déterminisme, mais les jalons de la méthode sont posés et les résultats obtenus suggèrent une bonne possibilité d'y parvenir.