Ordinateur quantique : Weizmann franchit une étape clé et met au point un routeur photonique

[:fr]Des chercheurs de l’Institut Weizmann ont, pour la première fois, fait la démonstration d’un routeur photonique, un dispositif quantique basé sur un atome individuel qui permet que des photons individuels soient acheminés par des photons individuels. Cette réussite, publiée dans la revue Science, est une nouvelle étape qui permettra de surmonter les difficultés rencontrées vers la construction d’ordinateurs quantiques.

Au cœur de ce dispositif se trouve un atome qui peut passer d’un état à un autre. L’état est déterminé uniquement lorsqu’une particule individuelle de lumière – un photon – est envoyé de la droite ou de la gauche dans une fibre optique. Conformément à cela, l’atome reflète ou transmet en réponse le photon suivant. Par exemple, dans un état donné, un photon venant de droite continue son chemin vers la gauche, alors qu’un photon venant de gauche est réfléchi vers l’arrière en inversant l’état atomique. Dans l’état inversé, l’atome laisse les photons venant de gauche continuer dans la même direction, tandis que les photons venant de droite sont réfléchis vers l’arrière, inversant de nouveau l’état atomique. Ce commutateur basé sur l’atome est donc actionné seulement par des photons individuels – aucun champ externe n’étant nécessaire.

Cette réussite a été rendue possible grâce à la combinaison de deux technologies de pointe. L’une est le refroidissement par laser et la capture d’atomes. L’autre est la fabrication de résonateurs optiques miniatures d’excellente qualité, basés sur des puces couplées directement avec les fibres optiques. Le laboratoire du docteur Dayan à l’Institut Weizmann est l’un des laboratoires, peu nombreux dans le monde, qui maîtrisent à la fois ces deux technologies.

La motivation essentielle qui pousse à développer des ordinateurs quantiques est le phénomène quantique de superposition, dans lequel les particules peuvent exister dans un grand nombre d’états à la fois, et sont de ce fait potentiellement capables de traiter parallèlement d’énormes quantités de données. Or la superposition ne peut durer que le temps que rien n’observe ou ne mesure le système – car si cela arrive, elle s’effondre et le système passe à un seul des états possibles. Les photons sont par conséquent les candidats les plus prometteurs pour la communication entre les systèmes quantiques, car entre eux il n’y a normalement aucune interaction, et les interactions avec d’autres particules sont très faibles.

Le docteur Dayan ajoute : « Il faudra encore longtemps jusqu’à ce qu’on puisse produire des ordinateurs quantiques, mais le dispositif que nous avons construit fait la démonstration d’un système simple et robuste, qui pourrait être utilisé à l’avenir dans l’architecture de nouveaux ordinateurs. Dans la démonstration actuelle, un atome individuel fonctionne comme un transistor – ou comme un commutateur à deux positions – pour les photons. Dans nos expériences futures, nous espérons élargir l’éventail de dispositifs basés uniquement sur les photons, et nous espérons par exemple développer de nouvelles sortes de mémoires quantiques ou de portes logiques. »

Plus d’infos sur http://wis-wander.weizmann.ac.il/the-world%E2%80%99s-first-photonic-router#.U8N_pl5Xbh5

« En un certain sens, ce dispositif agit comme un équivalent photonique des transistors électroniques qui commutent des courants électriques en réponse à d’autres courants électriques. » Telle est l’explication du docteur Barak Dayan qui dirige le groupe d’optique quantique de l’Institut Weizmann, dont les membres sont Itay Shomroni, Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler et Gabriel Guendleman, du département de Physique chimique à la faculté de Chimie. Les photons ne sont pas seulement les éléments qui transportent le flux des informations, mais aussi ceux qui contrôlent le dispositif.

Dr. Barak Dayan's group members: (l-r) Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler and Itay Shomroni — Dr. Barak Dayan’s group members: (l-r) Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler and Itay Shomroni

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Weizmann Institute scientists have demonstrated for the first time a photonic router – a quantum device based on a single atom that enables routing of single photons by single photons. This achievement, as reported in Science magazine, is another step toward overcoming the difficulties in building quantum computers.

At the core of the device is an atom that can switch between two states. The state is set just by sending a single particle of light – or photon – from the right or the left via an optical fiber. The atom, in response, then reflects or transmits the next incoming photon, accordingly. For example, in one state, a photon coming from the right continues on its path to the left, whereas a photon coming from the left is reflected backwards, causing the atomic state to flip. In this reversed state, the atom lets photons coming from the left continue in the same direction, while any photon coming from the right is reflected backwards, flipping the atomic state back again. This atom-based switch is solely operated by single photons – no additional external fields are required.

“In a sense, the device acts as the photonic equivalent to electronic transistors, which switch electric currents in response to other electric currents,” says Dr. Barak Dayan, head of the Weizmann Institute’s Quantum Optics group, including Itay Shomroni, Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler and Gabriel Guendleman of the Chemical Physics Department in the Faculty of Chemistry. The photons are not only the units comprising the flow of information, but also the ones that control the device.

This achievement was made possible by the combination of two state-of-the-art technologies. One is the laser cooling and trapping of atoms. The other is the fabrication of chip-based, ultra-high quality miniature optical resonators that couple directly to the optical fibers. Dayan’s lab at the Weizmann Institute is one of a handful worldwide that has mastered both these technologies.

The main motivation behind the effort to develop quantum computers is the quantum phenomenon of superposition, in which particles can exist in many states at once, potentially being able to process huge amounts of data in parallel. Yet superposition can only last as long as nothing observes or measures the system otherwise it collapses to a single state. Therefore, photons are the most promising candidates for communication between quantum systems as they do not interact with each other at all, and interact very weakly with other particles.

Dayan: “The road to building quantum computers is still very long, but the device we constructed demonstrates a simple and robust system, which should be applicable to any future architecture of such computers. In the current demonstration a single atom functions as a transistor – or a two-way switch – for photons, but in our future experiments, we hope to expand the kinds of devices that work solely on photons, for example new kinds of quantum memory or logic gates.”

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