Intrication électron‐photon : un nouveau pas vers l’ordinateur quantique

15/11/2013
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Publication eREE
OAI : oai:www.see.asso.fr:14389:5303
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Résumé

Intrication électron‐photon : un nouveau pas vers l’ordinateur quantique

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	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
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25 juin 2013   1      Intrication électron‐photon :  un nouveau  pas vers l’ordinateur quantique     Marc Leconte  Membre émérite de la SEE    La physique quantique, depuis près de 80 ans,  n’a  cessé  d’être  une  source  d’innovations  technologiques  qui  ont  peu  à  peu  envahi  de  nombreux  domaines  professionnels  et  grand  public comme le transistor ou plus récemment  le laser. Dans les années 1980, les expériences  d’Alain  Aspect  ont  permis  d’observer  le  phénomène de l’intrication de deux photons,  théorisé  par  E  Schrödinger  en  1935,  qui  n’a  plus  dès  lors  été  considéré  comme  un  phénomène  purement  théorique  et  paradoxal 1  n’ayant  pas  d’existence  réelle.  Aujourd’hui,  de  nombreuses  expériences  de  laboratoire  confinent  des  atomes,  des  électrons  ou  des  photons  dans  des  états  dit  intriqués.  Cette  propriété  typiquement  quantique  est  au  cœur  d’un  grand  nombre  d’expériences  de  laboratoire  qui  tentent  d’observer le comportement de particules de  manière individuelle. Tel est le cas des travaux  ayant valu un double prix Nobel de physique  attribué d’une part à Serge Haroche pour ses  expériences  sur  des  photons  confinés  et  d’autre  part  à  David    Wineland  pour  avoir  confiné  des  ions 2 .  Au‐delà  de  l’intérêt  théorique  de  ces  travaux,  le  comité  Nobel  avait  souligné  que  les  recherches  des  deux  lauréats  intéressaient  deux    domaines  d’application  très  intéressants  et  très  novateurs,  la  cryptographie  quantique  et  l’ordinateur quantique.   L’unité  d’’information  élémentaire  dans  un  ordinateur  quantique  est  le  qubit.                                                               1  Voir REE 2012‐4 – Retour sur Alain Aspect.  2  Voir REE 2012‐4 ‐ Serge Haroche : le 13e  prix  Nobel de physique français.  Considérons  un  système  formé  de  deux  qubits,  par  exemple  constitué  de  deux  particules  dont  les  spins  peuvent  prendre  deux  valeurs  opposées.  Dans  le  cas  usuel,  le  vecteur  d’état  représentatif  du  système  s’écrira  comme  le  produit  tensoriel  des  vecteurs  d’état  représentatifs  de  chacun  des  qubits.  Dans le cas d’un système intriqué, les  coefficients  du  vecteur  d’état  du  système  ne  peuvent  plus  être  décomposés  en  produits  des amplitudes des états caractérisant chacun  des qubits. Le système ne peut être décrit que  dans  sa  globalité  et  apparait  comme  une  combinaison linéaire de quatre états affectés  chacun  de  coefficients,  représentés  par  des  nombres complexes  dont le carré du module  représente  la  probabilité  de  trouver  le  système dans un état donné.   Deux  qubits  intriqués  sont  en  résumé  la  superposition  de  quatre  états  :  . 00 . 01 . 10 . 11       ,  dans  des  proportions  α,  β,  γ,  δ  tels  que  2 2 2 2 1        .  Trois  qubits  intriqués  donneront  naissance  à  huit  états  et  N  qubits  à  2N  états.   2        Figure  1 :  Vue  d’artiste  illustrant  la  notion  d’intrication des états de spin de deux noyaux d’un  réseau. Source : 2012 TU Delft.     L’idée du calcul quantique avec des qubits est  d’utiliser  cet  espace  à  2N  états,  le  grand  avantage    des  états  superposés  simultanés  résidant dans l’augmentation des capacités de  codage  par  un  facteur  2  chaque  fois  que  le  nombre  de  qubits  intriqués  est  accru  d’une  unité Des algorithmes ont été mis au point qui   permettraient  aux  ordinateurs  quantiques  d’avoir  des  performances  bien  plus  grandes  que  celles  des  ordinateurs  classiques  pour  certains  calculs,  en  particulier  dans  des  opérations  de  décomposition  de  grands  nombres en facteurs premiers. Les difficultés à  surmonter  restent  considérables.  En  effet,  il  faut  pouvoir  réaliser  des  systèmes  comprenant  un  nombre  suffisant  de  qubits  intriqués  (on  parle  de  300),  construire  des  opérateurs transformant les acteurs d’états et  pour  cela  savoir  les  maintenir  le  système  en  état  d’isolation  totale  du  monde  extérieur  pendant  un  délai  suffisant  pour  permettre  l’exécution  des  calculs 3 .Le  défi  du  calcul  quantique  est  ainsi  d’utiliser  des  objets  quantiques (photons, électrons, ions) dans des  états  superposés  sans,  ou  plutôt  avant,                                                                3  Le lecteur pourra se référer au Flash Info publié  dans le N° 2012‐2 de la REE.  qu’intervienne la perte de l’intrication appelée  « décohérence »  à  la  suite  d’une  interaction  quelconque  avec  l’environnement.  Il  existe  aujourd’hui  plusieurs  dispositifs  qui  permettent de maintenir confiné des atomes  ou  électrons  dans  des  états  superposés.  Ce  sont  les  atomes  froids  dans  des  cavités  optiques,  des  atomes  ou  des  boites  quantiques  (quantum  dots)  couplées  à  des  micro‐résonateurs optiques, des circuits  avec  jonctions  Josephson  couplées  à  des  lignes  coaxiales ou enfin des boites quantiques dans  des  semi‐conducteurs  dans  lesquelles  sont  confinés des électrons. Les ions piégés du prix  Nobel  David  Wineland  sont  un  exemple  de  qubits. La difficulté de réalisation posée par la  manipulation  des  qubits  est  de  concevoir  et  développer  des  dispositifs  physiques  dans  lesquels l’information des qubits peut circuler  d’un nœud à l’autre et être traitée de manière  logique  par  des  portes  comme  dans  un  processeur classique.   Ce  domaine  est  l’objet  aujourd’hui  de  nombreuses recherches dans le monde. Dans  le  monde  de  la  technologie  électronique,  ce  sont les boites quantiques qui sont à la base  des  expérimentations.  C’est  ainsi  qu’une  équipe  de  chercheurs  des  laboratoires  de  l’Université  du  Michigan,  du  NRL  et  de  l’université  de  Californie    vient  de  réaliser  l’intrication  d’un  électron  confiné  dans  une  boite  quantique  et  d’un  photon.  Un  article  publié  en  mars  20134  décrit  les  conditions  opératoires  de  leur  expérience.  Les  chercheurs commencent d’abord par rappeler  quelques  étapes  importantes  à  partir  desquelles  ils  ont  mis  au  point  leur  expérience. :    les boites quantiques (quantum dots) à  semi‐conducteur  sont  de  bons  candidats  pour  construire  des  applications  de  traitement  de  l’information  quantique  dans  une  infrastructure  de  semi‐conducteur.  Des  boites  quantiques  ont  pu  être                                                               4  Demonstration of quantum entanglement  between a single electron spin confined to an InAs  quantum dot and a photon ‐ J. R. Schaibley & Al.    3    développées  avec  des  cavités  de  cristaux  présentant  des  qualités  supérieures  à  celles  d’autres  systèmes  d’information  quantiques.  L’utilisation  de l’arséniure de gallium dopé avec de  l’arséniure  d’indium,  InAs/GaAs,  présente  le  très  grand  avantage  d’être  facilement  compatible  avec  la  technologie des semi‐conducteurs III‐V.  C’est  un  nanocristal  de  matériau  semi‐ conducteur  dont  les  dimensions  sont  inférieures  à  10  nm.  iI  se  comporte  comme  un  puits  de  potentiel  qui   réussit  à  confiner    les  électrons  et  les  lacunes  dans  les  trois  dimensions  de  l'espace, à l’intérieur d’une région d'une  taille de l'ordre de  celle de la  longueur  d’onde de De Broglie pour l’électron. Ce  confinement  donne  alors  aux  boîtes  quantiques des  propriétés analogues à  celles d'un atome ;   des expériences antérieures ont montré  que l’état de spin d’un électron confiné  dans une boite quantique pouvait  remplir la fonction de qubit et donc être  utilisé comme dispositif de stockage  avec une capacité rapide de calcul  quantique. Mais pour développer une  architecture d’ordinateur, l’information  quantique stockée dans une boîte  quantique doit pouvoir être transmise  sans décohérence vers d’autres boites  quantiques spatialement distinctes afin  d’intriquer leur spins respectifs.   Des expérimentations ont montré que  les photons émis à partir de l’excitation  d’une boite quantique négativement  chargée (appelée trion : deux électrons  et un trou) pouvaient  être considérés  comme  un moyen pertinent pour  transporter cette information.   A partir de ces acquis, l’équipe américaine  a  expérimenté un qubit en réalisant l’intrication  entre l’état de spin d’un électron confiné dans  une  boite  quantique  et  l’état  de  spin  d’un  photon  émis  à  partir  d’un  état  excité  de  la  boîte.  Le  dispositif  utilisé  pour  réaliser  les  transitions est une boite quantique soumise à  un  champ  électromagnétique  (géométrie  de  Voigt)  appelé  système  Λ  caractérisé  par  quatre  niveaux.    La boite quantique est initialisée dans un état  pur  par pompage optique. Puis une impulsion  laser  l’amène  à  deux  états  excités  qui  effectuent  une  transition  vers    deux  états  fondamentaux  d’égales  probabilités.  Ces  transitions se caractérisent par l’émission d’un  photon  dans  une  superposition  des  deux  états.  Des  mesures  de  polarisation  sont  effectuées  ensuite  sur  les  photons  qui  sont  corrélées  avec  d’autres  mesures  portant  sur  les états de la boite quantique. La vérification  de l’intrication se fait en détectant les photons  successifs  avec  un  détecteur  ultra  rapide  d’une  résolution  de  48  ps  qui  détruit  la  cohérence  et  les  mesures  vérifient  les  probabilités  associées  aux  deux  états  superposés  du  photon.  Les  histogrammes  de  probabilités  après  des  mesures  de  la  polarisation  sur  l’axe  z  montrent  que  l’intrication est bien transmise avec un taux de  fidélité atteignant 84 % du maximum autorisé  par la base de temps utilisée. Ce qui est réalisé  est donc  bien l’intrication hybride d’un qubit  constitué  par  l’état  de  spin  d’un  électron  confiné  dans  la  boite  quantique  et  un  qubit  mobile  constitué  par  la  polarisation  d’un  photon émis par la boite.  Cette  intrication  spin‐photon  constitue  une  première  étape  dans  la  réalisation  d’une  architecture  extensible  d’ordinateurs  quantiques reposant sur une réseau de boites  quantiques utilisées comme qubits et sur des  photons  assurant  la  transmission  de  l’intrication  entre  des  nœuds  distants  du  réseau de boîtes quantiques.