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La découverte d’un réseau photonique capable de générer et de manipuler des états quantiques de la lumière s’avère prometteuse pour des applications allant de l’informatique quantique aux protocoles de communication quantique sécurisés.
Roberto Morandotti. Photo : Josée Lecompte
Une étude codirigée par le professeur Roberto Morandotti de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) en collaboration avec des équipes d’Allemagne, d’Italie et du Japon ouvre la porte à des solutions d’avant-garde qui pourraient contribuer à la réalisation d’un système capable de traiter l’information quantique d’une manière simple et néanmoins puissante.
Leurs travaux, qui viennent d’être publiés dans la revue Nature Photonics, présentent une méthode qui permet de manipuler les états photoniques de la lumière d’une manière jamais vue, offrant ainsi un meilleur contrôle de l’évolution de la propagation des photons. Grâce à ce contrôle, la détection et le nombre de coïncidences des photons s’en trouvent améliorés, tout comme l’efficacité du système mis en œuvre.
Des propriétés insoupçonnées
À la base de l’expérimentation de l’équipe de recherche se trouve le concept de marches quantiques.
« L’essor du domaine de l’informatique quantique débuté il y a une vingtaine d’années a grandement bénéficié de la notion de marches quantiques connues pour augmenter la vitesse et la complexité des algorithmes informatiques. »
Roberto Morandotti, professeur à l’INRS spécialisé en optique non linéaire
Récemment, la communauté scientifique a développé un autre concept, soit celui des réseaux photoniques synthétiques. « Ce travail nous permet d’utiliser le concept de dimension synthétique photonique pour explorer plusieurs phénomènes quantiques au niveau fondamental, ainsi que de les appliquer aux technologies quantiques », détaille Stefania Sciara, postdoctorante dans l’équipe de Roberto Morandotti et coautrice de l’étude.
Le potentiel de ce type de réseau était déjà connu, par exemple pour simuler des effets tels que la symétrie parité-temps, la superfluidité de la lumière et les structures topologiques, mais en utilisant la technologie classique. « En revanche, ajoute-t-elle, malgré leur potentiel, la démonstration d’un réseau photonique synthétique capable de traiter des états quantiques n’avait jamais été réalisée. »
C’est précisément ce qu’ont réussi Roberto Morandotti et son équipe dont le laboratoire est basé au Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS. Ils ont découvert un réseau photonique synthétique temporel capable de générer et manipuler des états quantiques de la lumière (photons) et qui utilise le concept de marche quantique dans des systèmes de fibres simples.
« Notre équipe a découvert comment utiliser les réseaux photoniques synthétiques pour traiter l’information quantique en se basant sur les marches quantiques de photons à haute dimension intriqués dans leurs états temporels, relate le professeur. Le système utilisé n’exige pas de grosses ressources, car il se compose de dispositifs en fibre, qui sont compatibles avec les moyens de télécommunications standard. »
Une technique novatrice aux vastes applications
Cette percée ouvre la porte à l’utilisation des réseaux photoniques synthétiques simplifiée par l’utilisation des marches quantiques pour le traitement de l’information quantique.
« Notre approche est sans précédent pour deux raisons, se réjouit Roberto Morandotti. Il permet meilleur contrôle de l’évolution des marches quantiques dans le domaine temporel et il rend possible la manipulation simultanée de la lumière classique et des photons intriqués. Cette découverte ouvre la voie à une variété de protocoles d’information et d’informatique quantique avancée sur des architectures prêtes pour les télécommunications et compatibles avec les microprocesseurs sur puces. »
Plusieurs champs de la physique fondamentale liés au traitement de l’information quantique peuvent bénéficier des résultats obtenus par les chercheurs, dont le calcul quantique et la métrologie quantique, sans oublier les communications quantiques sécurisées.
« Notre système est entièrement basé sur des dispositifs en fibre optique opérationnels dans le domaine des télécommunications et il peut être combiné avec les infrastructures de télécommunications actuelles et futures », fait valoir Stefania Sciara.
« Cette découverte est la preuve qu’il possible de réaliser des systèmes quantiques à haute performance en utilisant des dispositifs, techniques, et infrastructures qui sont à portée de main. Cela démontre aussi qu’il est possible de bénéficier des réseaux quantiques pour transmettre les données personnelles en toute sécurité. »
Stefania Sciara, postdoctorante à l’INRS
À propos de l’étude
L’article intitulé « Quantum state processing through controllable synthetic temporalphotonic lattices », publié dans la revue Nature Photonics, a été coécrit par Monika Monika, Farzam Nosrati, Agnes George, Stefania Sciara, Riza Fazili, André Luiz Marques Muniz, Arstan Bisianov, Rosario Lo Franco, William J. Munro, Mario Chemnitz, Ulf Peschel, et Roberto Morandotti. DOI: 10.1038/s41566-024-01546-4.
Ces travaux de recherche ont été financés par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), les Fonds de recherche du Québec (FRQ).