Utiliser la lumière pour transmettre de l’information quantique

Publié par Audrey-Maude Vézina

12 décembre 2019

( mise à jour : 17 septembre 2020 )

L’équipe du professeur Roberto Morandotti, en collaboration avec l’équipe du professeur José Azaña, tous deux de l’INRS, fait la couverture de l’édition de décembre de Optics and Photonics News, le journal de vulgarisation du Optical Society (OSA). Ce numéro spécial regroupe les découvertes de l’année les plus importantes du domaine.

Les professeurs Roberto Morandotti et José Azaña
Les professeurs Roberto Morandotti et José Azaña.   

Parmi plusieurs candidatures, un jury a sélectionné les contributions les plus exceptionnelles. La recherche du professeur Morandotti et du professeur Azaña, intitulée Cluster States Go High-Dimensional, s’est mérité une place de choix grâce à son apport au développement de l’ordinateur quantique.   

 Utiliser la lumière pour transmettre de l’information quantique

En informatique classique, le langage est binaire, c’est-à-dire que l’unité de base, le bit, prend la valeur 0 ou 1. « Sur une sphère, ce serait l’équivalent aux pôles Nord et Sud. La version quantique exploite plutôt l’ensemble de la sphère », résume le professeur Morandotti. L’unité quantique, appelée le qubit, peut prendre une valeur de 0 et de 1 en même temps. Elle n’est fixée que lorsque la mesure est prise. Par exemple, pour une superposition donnée, la valeur serait 0 sept fois sur dix et 1 le reste du temps. Pour une autre, ce pourrait être 0 quatre fois sur dix et 1 le reste du temps.  

Les qubits utilisés par le professeur Morandotti sont des photons, reliés entre eux par le principe d’intrication quantique. Puisque ces particules de lumière n’interagissent pas avec l’environnement, ils gardent leur état sur une longue période. Malgré cet avantage, l’utilisation du photon pour les ordinateurs quantiques pose problème. Pour réaliser une opération complexe, un nombre important de photons doit être discerné.   

« Actuellement, on détecte un maximum de dix photons à la fois. Ce n’est pas suffisant », soutient le professeur. Pour pallier le problème, l’équipe du professeur Morandotti a augmenté la quantité d’information se trouvant dans chaque photon en passant du binaire (deux dimensions) à une dimension plus élevée. Par exemple, pour une dimension 4, on pourrait avoir les couleurs bleu, rouge, vert, orange. « Plus vous pouvez assembler de couleurs, plus vous pouvez emballer d’information en un seul photon », résume le professeur Morandotti.  

Pour effectuer des opérations sur ces photons, les états doivent être couplés, c’est-à-dire qu’un changement appliqué à l’un s’appliquera aussi aux autres. Dans son expérience, le professeur Morandotti utilise des photons contenant chacun trois couleurs (fréquences). Pour les rendre indiscernables, une puce optique sépare les couleurs, les décale, puis les regroupe à nouveau. Ce processus a permis à l’équipe du professeur Morandotti de créer le premier état couplé pour une dimension plus grande que deux dans une puce intégrée. De plus, en ajoutant une information temporelle, soit trois impulsions contenant chacune trois couleurs, la dimension peut être augmentée davantage et créer des états complexes avec des propriétés spécifiques. C’est idéal pour le traitement optique de l’information quantique. Remarquablement, cela permettra de transporter de l’information quantique sur une longue distance à travers une fibre optique. C’est un pas de plus vers l’ordinateur quantique.     

« La lumière dans le sang »  

Roberto Morandotti a aussi contribué comme coauteur à un autre article publié dans l’édition de décembre du journal OSA, intitulé Light-guiding in red blood cell suspensions. La découverte porte sur le comportement de la lumière dans un milieu diffusant comme le sang, où les rayons se propagent aléatoirement dans de nombreuses directions. « Plusieurs ont déjà fait l’expérience de pointer un laser dans le doigt. Il devient rouge, mais la lumière, elle, ne traverse pas le doigt efficacement et ne peut donc pas être détectée. » En utilisant des propriétés non linéaires de la lumière et des tissus organiques, c’est possible d’empêcher sa diffusion. Le faisceau spécial pourrait alors sortir du doigt. L’analyse du signal lumineux pourrait informer sur le milieu traversé, un atout pour des applications médicales. « Par exemple, ce serait utile pour détecter les changements de forme des globules rouges causés par la malaria », indique le professeur.