Ordinateur quantique: un photon pour tout gouverner

L'histoire de la technologie informatique, que nous appelons maintenant simplement un serveur ou un ordinateur, a commencé il y a plusieurs siècles. Au fil du temps et du développement de la technologie, les ordinateurs se sont améliorés. Amélioration des performances, de la vitesse et même de l'apparence. Tout ordinateur met essentiellement en œuvre certaines lois des sciences naturelles, telles que la physique et la chimie. En approfondissant l'une de ces sciences, les chercheurs trouvent de nouvelles et de nouvelles façons d'améliorer les systèmes informatiques. Aujourd'hui, nous prendrons connaissance d'une étude visant à mettre en œuvre l'utilisation des photons dans les ordinateurs quantiques. Allons-y.

Base théorique

L'expression "ordinateur quantique" a cessé d'être choquante, même si elle ressemble à de la science-fiction. Cependant, il n'y a rien de fantastique, du moins d'un point de vue littéraire. Un ordinateur quantique exploite la superposition quantique et l'intrication quantique. En termes simples, la superposition quantique est un phénomène lorsque les états quantiques d'un système s'excluent mutuellement. Si nous ne parlons pas de particules, de quelque chose de "plus grand", alors nous pouvons mentionner le chat Schrödinger.


Quant à l'intrication quantique, alors les états de deux particules ou plus dépendent les uns des autres. C'est-à-dire, en parlant des mêmes photons, si un changement dans le spin d'une particule conduit au fait qu'elle devient positive, alors la seconde devient automatiquement négative, et vice versa. En même temps, en mesurant l'état de la première particule, nous privons instantanément la deuxième particule de l'état d'intrication quantique.

Un ordinateur quantique ne fonctionne pas avec des bits, mais avec des qubits, qui diffèrent des premiers en ce qu'ils peuvent être simultanément dans deux états - 0 et 1. Cela vous permet de traiter les informations beaucoup plus rapidement.

Avec les photons, tout est un peu plus facile. Le photon est une "particule de lumière", si nous parlons très exagéré. Une définition plus scientifique est une particule élémentaire de rayonnement électromagnétique, capable de transférer l'interaction électromagnétique.

Verso de la pièce

Les photons sont d'excellents supports d'information quantique, mais l'absence d'une relation déterministe * photon-photon limite leur utilisation dans les ordinateurs et réseaux quantiques.

Les systèmes déterministes * sont des systèmes dans lesquels les processus sont interconnectés de manière à pouvoir retracer une séquence causale. En d'autres termes, ce sont des systèmes où les données entrantes (par exemple, les tâches) correspondent entièrement aux données sortantes (résultat de la solution).

Cette étude n'aurait peut-être pas eu lieu du tout s'il n'y avait pas eu de découvertes récentes dans le domaine de l'interaction lumière-matière au moyen d'atomes piégés neutres, ce qui a permis d'utiliser des non-linéarités optiques * en mode photon unique.

La non-linéarité optique * s'explique par la réponse non linéaire du vecteur de polarisation au vecteur de champ électrique de l'onde lumineuse. Cela peut être observé à l'aide de lasers, car ils peuvent générer un faisceau de forte intensité lumineuse.

Non-linéarité optique en utilisant l'exemple de la génération de la deuxième onde harmonique

Cette technique est associée à des problèmes dans la mise en œuvre de dispositifs sous une forme compacte, car sa mise en œuvre nécessite des pièges laser de très grande taille et extrêmement complexes à configurer. De plus, les atomes neutres fonctionnent avec une faible bande passante.

Une autre option, également mise de côté depuis longtemps, est un système basé sur l'électrodynamique quantique non linéaire. Étant donné que ces systèmes fonctionnent exclusivement en mode micro-ondes, leur mise en mode optique est extrêmement problématique.

D'autres chercheurs ont décidé de creuser encore plus profondément, presque littéralement. L'utilisation de systèmes nanophotoniques dans lesquels les photons interagissent avec des éléments nanométriques (dans ce cas, les émetteurs quantiques) est un moyen très intéressant de réaliser la non-linéarité à photon unique dans des dispositifs à semi-conducteurs compacts. Cependant, pour l'instant, de telles expériences utilisent des émetteurs, qui sont représentés par un système atomique à deux niveaux, limité par un compromis entre bande passante et retard, ce qui rend impossible la mise en œuvre de commutateurs monophoniques.

En conclusion, toutes les études précédentes ont donné certains résultats positifs qui, malheureusement, étaient associés à certains problèmes de mise en œuvre ou d'interaction des systèmes.

Bases de l'étude

Dans la même étude, un commutateur à photon unique et un transistor sont mis en œuvre en associant un qubit quantique à semi-conducteurs et un résonateur à nanophotons.

L'un des principaux éléments de l'expérience est un qubit de spin, constitué d'un seul électron dans un point quantique chargé * .

Un point quantique * (ou «atome artificiel») est une particule semi-conductrice. En raison de sa taille extrêmement petite, ses propriétés optiques et électroniques sont très différentes de celles des particules plus grosses.

Image n ° 1a

La figure 1a montre la structure du niveau de point quantique, qui comprend deux états de base * avec des spins opposés, ce qui forme une mémoire quantique stable. Ces états sont étiquetés comme suit: | ↑⟩ et | ↓⟩ .

L'état fondamental * - en mécanique quantique, il s'agit d'un état stationnaire lorsque le niveau d'énergie et d'autres quantités ne changent pas, avec le moins d'énergie.

Les états d' excitation * , qui contiennent une paire d'électrons et un trou * avec des spins opposés, sont également marqués sur l'image. Ils sont désignés comme suit: | ↑ ↓, ⇑⟩ et | ↑ ↓, ⇓⟩ .

Excitation * - indique la transition du système de l'état fondamental à un état avec une énergie plus élevée.

Le trou * est une quasi-particule, porteuse d'une charge positive égale à une charge élémentaire, dans les semi-conducteurs.

Image # 1b

L'image 1b est une photographie d'un résonateur à nanophotons fabriqué prise par un microscope électronique à balayage. En exploitant l'effet Vogt * , un composé dépendant du spin a été obtenu en appliquant un champ magnétique (5,5 T) le long du plan de l'appareil.

Effet Vogt * - occurrence de biréfringence d'une onde électromagnétique lors de sa propagation dans les solides.

En mesurant la réflectivité à polarisation croisée, il a également été possible de déterminer la force du composé ( g ), le taux de désintégration de l'énergie du résonateur nanophotonique ( k ) et la transition dipolaire décohérente ( y ):

• g / 2π=10,7 Altern0,2 GHz
• k / 2π = 35,5 Altern0,6 GHz
• y / 2π=3,5 dépendant0,3 GHz

De plus, g> k / 4 est une condition déterminant que l'appareil est passé à un mode de communication solide et stable.


Image n ° 1s

L'image 1c (en haut à gauche) illustre graphiquement les principes de fonctionnement d'un commutateur à photon unique et d'un transistor. Comme nous le voyons, si l'impulsion de grille ne contient pas de photons, alors le spin reste en position «basse». Si un photon est présent, le spin passe en position haute. Par conséquent, l'état de spin contrôle le coefficient de réflexion du résonateur nanophotonique, modifiant ainsi la polarisation des photons du signal réfléchi.

La séquence d'impulsions entière est représentée sur l'image 1c (en bas). Voyons maintenant un peu plus en détail chaque étape.

• Au début, il y a un point quantique dans une superposition de son état de spin fondamental. Il est calculé à l'aide de la formule (| ↑⟩ + | ↓⟩) / √2 . Ceci est réalisé en appliquant une impulsion d'initialisation pour le pompage de spin optique, ce qui la met dans un état «bas».
• Ensuite, une impulsion de rotation optique est appliquée, créant une rotation de spin π / 2.
• Pendant un certain temps ( τ ), le système se développe librement.
  
  Si ce temps est défini comme un entier + la moitié de la période de procession de spin, alors en l'absence d'un photon d'obturateur, le spin entrera dans l'état (| ↑⟩ - | ↓⟩) / √2 , et la deuxième impulsion de rotation remettra le spin dans l'état "down". Si le photon de grille est réfléchi par le résonateur, il forme alors un décalage de phase π relatif entre les états haut et bas, qui reflète le spin le long de l'axe ( x ) de la sphère Bloch * . Ainsi, la deuxième impulsion de rotation traduira le spin dans l'état "haut".
• Une autre impulsion de rotation est utilisée, identique à la première.
• Une impulsion de grille est introduite entre ces deux impulsions.

Sphère de Bloch * - en mécanique quantique est utilisée comme moyen de représentation géométrique de l'espace d'état qubit.

• A la fin du processus, le champ du signal est réfléchi par le résonateur et subit une rotation de polarisation, qui dépend directement de l'état du spin.

Image n ° 2a

Le graphique ci-dessus montre la transmittance du champ de signal passant par le polariseur, sous la forme d'une fonction (τ) en l'absence d'impulsion de grille.

Le contraste de transmittance est déterminé par la formule: δ = T _up - T _down

Où T _haut et T _bas sont les coefficients de transmission du champ de signal aux moments de la transition du spin à l'état "haut" ( haut ) et "bas" ( bas ) en utilisant deux impulsions de rotation correspondant aux valeurs maximale et minimale de la transmittance dans l'oscillation.

La valeur constante est δ = 0,24 ± 0,01. Il est très différent de l'idéal en raison de l'état de spin imprécis F = 0,78 ± 0,01 et en raison de la coopérativité limitée = 2 g ² / ky = 1,96 ± 0,19.


Image n ° 2b

Le graphique 2b montre le cas où une impulsion de 63 ps est utilisée, contenant environ 0,21 photons par impulsion associée au résonateur. Afin de s'assurer qu'un photon régule la transmittance, une coïncidence à deux photons entre la grille et les photons de signal a été mesurée.

Les points verts sont la transmittance mesurée du signal due à la détection du photon de grille réfléchi en fonction de ( τ ).

La ligne verte est la correspondance numérique du modèle affiché sur le graphique 2a .

La ligne verticale (a) dans les graphiques 2a et 2b est la désignation de l'état lorsque le spin subit un nombre demi-entier de rotations autour de la sphère Bloch pendant la période de développement libre. Dans une telle situation, le photon de grille provoque la rotation et la redirection de la polarisation du champ de signal à travers le polariseur.

La ligne verticale (b) dans les graphiques 2a et 2b est un affichage d'un deuxième état opérationnel dans lequel des opérations de commutation sont possibles. Dans ce mode de réalisation, le comportement de commutation inverse est observé lorsque le photon d'obturateur empêche la rotation du champ de signal, réduisant ainsi la transmittance.

Dans les deux cas, l'impulsion de grille provoque un changement de la transmittance du signal de 0,21 ± 0,02. Pour considérer le photon d'obturation idéal, cet indicateur doit être égal à 0,24, comme déterminé dans les calculs, montrés dans le graphique 2a . Dans le cas d'une expérience réelle, les indicateurs sont pires en raison de l'utilisation d'un laser atténué (avec oscillation amortie) pour créer une impulsion de grille qui, bien que peu probable, peut contenir plusieurs photons.


Image n ° 2s

Le graphique ci-dessus montre la transmittance en fonction du temps de retard ( τ ), lorsque la valeur moyenne des photons de signal par impulsion est réglée sur 4,4 ± 0,5 (haut), 10,9 ± 1,2 (milieu), 23,0 ± 2,5 (bas).

Points verts - transmittance due à la détection d'un photon d'obturation.

Carrés oranges - transmittance sans impulsion d'obturation.

Lignes vertes et orange - correspondance numérique avec les modèles théoriques des graphiques 2a et 2b .

Dans tous les cas, le comportement de commutation est clairement observé.

Les calculs du contraste de commutation ( ξ ) ont donné les résultats suivants: 0,22 ± 0,03, 0,17 ± 0,02 et 0,12 ± 0,02, conformément à chaque graphique.

Le principal problème associé au contraste de commutation est sa diminution avec une augmentation du nombre de photons de signal. Cela est dû au fait que chaque photon signal peut inverser le spin par diffusion Raman de la lumière ( effet Raman * ). Cela réinitialise l'état de la mémoire quantique interne.

L'effet Raman * est la diffusion inélastique du rayonnement optique lorsque les particules entrent en collision, ce qui entraîne un changement de leur état, la formation de nouvelles particules, la transformation en d'autres ou la naissance de nouvelles particules.

Image n ° 3

Dans le graphique 3a, les points bleus montrent le contraste de transmission mesuré lorsqu'il n'y a pas d'impulsion de grille, en fonction du nombre moyen de photons dans le champ de signal. Il s'agit d'un indicateur du degré d'auto-commutation provoqué par un signal sans obturateur. Les lignes bleues indiquent la correspondance numérique des données d'une fonction exponentielle de la forme exp (-N _s / N _avg ) , où N _avg est le nombre moyen de photons de signal nécessaires pour changer la position de spin. Les calculs ont montré que N _avg = 27,7 ± 8,3.

Une autre propriété importante des transistors est le coefficient de transmission ( G ). Le graphique 2b (points bleus) montre la croissance de cet indicateur. Les chercheurs ont réussi à atteindre G = 3,3 ± 0,4 avec le nombre de photons N _s = 29,2 ± 3,2.

Des informations plus détaillées concernant cette étude, ainsi que les méthodes de calcul sont décrites dans le rapport, disponible par référence. Je vous recommande fortement de vous familiariser.

Épilogue

À l'heure actuelle, le plus gros obstacle au processus de mise en œuvre d'un dispositif à part entière basé sur cette étude est la perte de photons. Cependant, les scientifiques soutiennent que ce problème peut être résolu. Pas lui, donc d'autres scientifiques. À l'heure actuelle, il existe de nombreuses études visant à optimiser les dispositifs quantiques, qui seront basés sur les photons.

Ces études, dont celle examinée aujourd'hui, accumulent une base théorique, appuyée par l'expérimentation. La théorie est toujours suivie d'une mise en œuvre pratique. Mais cela n'est possible que si une masse critique de connaissances est atteinte qui permettra la pleine réalisation d'une idée.

Les premières étapes ont déjà été franchies. Oui, ces étapes sont petites, mais de nombreux scientifiques du monde entier les prennent, chacun dans sa propre direction. Et bien que leurs chemins varient, la destination de ce chemin incroyablement complexe et en même temps fascinant en est une.

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