NTT Corporation (NTT, PDG : Jun Sawada, Chiyoda-ku, Tokyo) (TOKYO : 9432), en coopération avec l’Université de Tokyo (Président : Teruo Fujii, Bunkyo-ku, Tokyo) et RIKEN (Président : Hiroshi Matsumoto, Wako-shi, Saitama) a développé une source de lumière quantique couplée à des fibres optiques (source de lumière compressée) (*1), qui constitue une technologie clé pour la création d’un ordinateur quantique optique universel, à grande échelle, et insensible aux défaillances.
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Fig 1: Generation of large-scale quantum entangled state by a time-domain-multiplexing technique (Graphic: Business Wire)
Les ordinateurs quantiques font actuellement l’objet de recherches et développements à travers le monde, dans la mesure où ils sont capables d’effectuer un traitement informatique parallèle en utilisant des phénomènes uniques de mécanique quantique, tels que les états de superposition quantique et les états d’intrication quantique. Bien que plusieurs méthodes soient envisagées, l’ordinateur quantique optique utilisant des photons offre de nombreux avantages. Par exemple, il ne nécessite pas les faibles températures et les équipements d’aspiration requis par les autres méthodes, ce qui le rend plus compact. En outre, en créant un état d’intrication quantique temporellement multiplexé, le nombre de bits quantiques peut être facilement augmenté sans micro-intégration des circuits ou parallélisation des équipements. Par ailleurs, le traitement informatique à haute vitesse est possible grâce à la nature à large bande de la lumière. En outre, il a été théoriquement prouvé que la correction des erreurs quantiques était possible en utilisant des variables continues de lumière, qui tirent parti de la parité de photons, plutôt qu’en utilisant des variables discrètes qui s’appuient sur la présence ou l’absence de photons. Cette méthode offre une compatibilité élevée avec les technologies de communication optique telles que les fibres optiques à faible perte et les dispositifs optiques hautement fonctionnels, ce qui permet de réaliser des progrès considérables en direction de la construction d’ordinateurs quantiques optiques universels à grande échelle et insensibles aux défaillances.
Afin de concevoir des ordinateurs quantiques optiques, l’un des composants les plus importants réside dans la source de lumière quantique générant une lumière comprimée, qui est à l’origine de la nature quantique des ordinateurs quantiques optiques. Plus particulièrement, l’utilisation d’une source de lumière quantique couplée à des fibres optiques est fortement souhaitée. La lumière comprimée est une lumière non classique possédant un nombre de photons et un bruit quantique compressé similaire, et qui est utilisée afin de produire une intrication quantique. La lumière comprimée joue par ailleurs un rôle extrêmement important dans la correction des erreurs quantiques, la correction des erreurs quantiques étant possible grâce à l’utilisation de la parité du nombre de photons. Afin d’aboutir à un ordinateur quantique optique universel, à grande échelle, et insensible aux défaillances, il nous faut utiliser une source de lumière comprimée couplée à des fibres optiques, présentant un bruit quantique hautement compressé et une parité du nombre de photons conservée, même dans les composants possédant un nombre élevé de photons. Par exemple, le niveau de compression requis pour générer une intrication quantique multiple dans le domaine temporel (états cluster à deux dimensions) (*2) et qui peut être utilisée dans le cadre du calcul quantique à grande échelle, doit être supérieur à 65 %. Néanmoins, ces dispositifs n’ont jamais été développés en raison de la difficulté liée à la production de lumière comprimée de haute qualité.
Dans le cadre de cette étude, nous avons développé une nouvelle source de lumière quantique couplée à des fibres optiques, qui fonctionne à des longueurs d’onde de communication optique. En la combinant à des composants de fibre optique, nous avons produit avec succès pour la première fois une lumière comprimée à ondes continues avec une compression de bruit quantique de plus de 75 %, grâce à une fréquence de bande latérale de 6 THz, même dans un système fermé à fibre optique. Cela signifie que le dispositif clé des ordinateurs quantiques optiques a été créé dans une forme compatible avec les fibres optiques, tout en conservant la nature à large bande de la lumière. Une telle avancée permettra le développement d’un ordinateur quantique optique dans un système stable et sans maintenance, en utilisant des fibres optiques et des dispositifs de communication optique. Le développement d’ordinateurs quantiques optiques à grande échelle de format rack sera ainsi largement favorisé.
Les résultats de cette étude seront publiés dans la revue scientifique américaine Applied Physics Letters le 22 décembre 2021 (heure des États-Unis). Cet article a également été sélectionné dans la rubrique « Choix de l’éditeur ». Une partie de la recherche a été financée par le programme de recherche et développement Moonshot, de l’Agence japonaise pour la science et la technologie (JST).
[Points importants]
- Nous avons développé une source de lumière comprimée haute performance couplée à des fibres optiques, obtenant ainsi un dispositif clé pour créer un ordinateur quantique optique de format rack.
- En utilisant le module créé, de source de lumière quantique couplée à des fibres optiques et des dispositifs de communication optique, nous avons pu produire avec succès dans un système fermé à fibre optique une lumière comprimée à ondes continues présentant un bruit quantique réduit de plus de 75 % sur une large bande de plus de 6 THz, et ce, pour la première fois.
- Cet accomplissement rend possible le développement d’un ordinateur quantique optique à une échelle réaliste, au sein d’un système optique stable et sans maintenance, en utilisant des dispositifs de communication optique, ce qui favorisera considérablement le développement d’un ordinateur quantique optique universel à grande échelle et insensible aux défaillances.
[Contexte]
Plusieurs activités de recherche et développement visant à créer un ordinateur quantique universel sont activement menées à travers le monde. Un calcul quantique de près de 100 bits quantiques physiques, et utilisant des circuits supraconducteurs a récemment été rapporté. Néanmoins, pour créer un ordinateur quantique universel insensible aux défaillances, près d’un million de bits quantiques physiques sont nécessaires. L’augmentation du nombre de bits quantiques est devenue par conséquent un défi majeur dans le domaine du calcul quantique. Afin d’aboutir à un million de bits quantiques via l’utilisation de circuits supraconducteurs ou d’ions piégés, plusieurs approches visant à augmenter le nombre de bits quantiques ont été adoptées en intégrant ces éléments et en parallélisant les équipements. D’autre part, un ordinateur quantique optique doit être capable de procéder à des calculs quantiques universels à très grande échelle, en s’appuyant sur une technique de multiplexage temporel (*3) ainsi que sur une manipulation quantique induite par la mesure (*4), qui constituent une approche totalement différente des méthodes conventionnelles. Dans le cadre de la technique de multiplexage temporel, nous divisons la lumière en vol continu en segments temporels, et plaçons l’information sur les différentes impulsions de lumière. Grâce à cette méthode, nous pouvons facilement augmenter le nombre de bits quantiques sur l’axe temporel, sans augmenter la taille de l’équipement (Fig. 1). En outre, il a été théoriquement prouvé que la correction des erreurs quantiques était possible en utilisant la parité du nombre de photons et les variables continues de lumière. En utilisant une fibre optique à faible perte, en tant que moyen de propagation des bits quantiques optiques volants, il sera possible de générer librement et de manière stable des états d’intrication quantique à grande échelle, en combinaison avec des dispositifs de communication optique. Plus précisément, avec seulement quatre sources de lumière comprimée, deux fibres optiques de différentes longueurs (lignes à retard optique), et cinq séparateurs de faisceaux (Fig. 2), il est possible de générer les états cluster à deux dimensions, et à grande échelle, qui sont nécessaires en calcul quantique universel. Il s’agit là d’une approche où l’intégration et des équipements à grande échelle ne sont pas nécessairement requis, et qui rend possible le calcul quantique universel à l’échelle d’équipement réaliste d’un seul rack, tandis que les méthodes utilisant les circuits supraconducteurs ou les ions piégés nécessitent une intégration des éléments et une parallélisation des équipements. En outre, cette méthode permet de réaliser des calculs à grande vitesse en tirant parti de la fréquence élevée de la lumière. Cela signifie non seulement que des algorithmes quantiques à haute vitesse peuvent être appliqués, mais également que leurs fréquences d’horloge peuvent être élevées, faisant ainsi des ordinateurs quantiques optiques la technologie ultime en matière de traitement des informations à haute vitesse.
Jusqu’à présent, nous avons exposé plusieurs opérations quantiques optiques pour concrétiser cet ordinateur quantique optique en utilisant un système optique spatial intégrant de nombreux miroirs alignés de haute précision. Ceci permet de minimiser la perte optique de lumière et d’améliorer autant que possible l’interférence entre la lumière. Néanmoins, si les miroirs sont mal alignés, même légèrement, les caractéristiques souhaitées ne seront pas atteintes, si bien que la trajectoire de la lumière a dû être réajustée pour chaque expérimentation. Pour créer un ordinateur quantique optique offrant une utilisation pratique, il faut donc recourir à un système optique proche du guide d’onde optique, comme un circuit optique intégré ou une fibre optique, offrant une excellente stabilité opérationnelle et ne nécessitant aucune maintenance. Pour être plus précis, l’élément le plus fondamental en matière d’ordinateurs quantiques optiques n’est autre que la lumière comprimée. Cette lumière non classique possède le bruit quantique compressé de l’amplitude ou de la phase d’une onde, qui correspond à une paire non commutative de quantités physiques. Dans la mesure où cette lumière est à la fois difficile à produire et facilement dégradée par la perte optique, la lumière provenant d’une source de lumière comprimée couplée à des fibres optiques tend à être faible. Ainsi, le taux de compression de la lumière, supérieur à 65 %, nécessaire à la création d’un état d’intrication quantique à grande échelle temporellement multiplexé (états cluster à deux dimensions), n’a pas été atteint avec une configuration fermée à fibre optique.
[Progrès techniques]
Nous avons développé un module de source de lumière quantique couplée à des fibres optiques à faible perte (module d’amplification paramétrique optique) (Fig. 3). Nous avons atteint une faible perte en modifiant la méthode de fabrication du guide d’ondes du niobate de lithium périodiquement polarisé (Periodically Poled Lithium Niobate, PPLN), qui constitue la pièce principale du module. Le module a été assemblé comme un module couplé à des fibres optiques à faible perte, en utilisant la technique d’assemblage des dispositifs de communication optique qu’a développée NTT. Lors de la connexion des composants de fibre optique, nous sommes parvenus à mesurer une lumière comprimée dont le bruit quantique avait été compressé de plus de 75 %, grâce à une bande passante de plus de 6 THz (Fig. 4). Cela signifie que l’état quantique requis pour le calcul quantique optique peut être généré et mesuré même dans un système entièrement fermé en fibres optiques. La source de lumière quantique couplée à des fibres optiques, ainsi développée, permettra de créer un ordinateur quantique optique stable et sans maintenance à une échelle réaliste, ce qui fera significativement progresser les développements futurs.
Dans le cadre de cette expérimentation, nous avons utilisé une nouvelle méthode dans laquelle le premier module génère la lumière comprimée et le deuxième module convertit les informations quantiques optiques en informations de lumière classique. L’amplificateur paramétrique optique développé en tant que source de lumière est utilisé dans la direction opposée afin d’aboutir à une amplification optique qui conserve la parité du nombre de photons. Contrairement à la technique conventionnelle de détection homodyne équilibrée, cette méthode de mesure permet d’amplifier et de convertir le signal quantique en un signal optique classique, sans le transformer en électrons. Cette méthode permet d’obtenir très rapidement des mesures. Cette technologie peut être mise à profit pour créer à l’avenir des ordinateurs quantiques 100 % optiques, et contribuera grandement à créer des ordinateurs quantiques 100 % optiques et ultrarapides fonctionnant à des fréquences d’horloge en térahertz.
[Travaux futurs]
Dans un premier temps, nous développerons un ordinateur quantique optique comprenant des composants de fibre optique en combinaison avec les diverses opérations quantiques optiques que nous avons développées jusqu’à présent. En outre, nous améliorerons la capacité de compression du bruit quantique de la source de lumière quantique, afin de créer un ordinateur quantique optique universel à grande échelle et insensible aux défaillances.
[Soutien à cette recherche]
Cette recherche a été soutenue par le projet de R&D Moonshot, de l’Agence japonaise pour la science et la technologie (Japan Science and Technology, JST), dans le cadre de l’objectif Moonshot 6 : « Réalisation d’un ordinateur quantique universel insensible aux défaillances, qui révolutionnera l’économie, l’industrie et la sécurité, d’ici 2050 » (directeur du programme : Katsuhiro Kitagawa, professeur à l’École supérieure des sciences de l’ingénierie, de l’Université d’Osaka). Projet de R&D : « Développement d’ordinateurs quantiques optiques universels à grande échelle et insensibles aux défaillances » (responsable du projet : Akira Furusawa, professeur à l’École supérieure d’ingénierie, de l’Université de Tokyo).
[Commentaires du responsable du projet]
Jusqu’à présent, nous pensions que les circuits intégrés étaient essentiels à la réalisation d’un ordinateur quantique à grande échelle. Or, cet accomplissement prouve que les circuits intégrés ne sont pas nécessaires, et qu’en utilisant les modules développés et des composants de fibre optique, nous pouvons créer un ordinateur quantique optique à grande échelle. Grâce à cette avancée, la réalisation d’un ordinateur quantique à grande échelle est devenue réalité, et nous pouvons affirmer qu’une technologie révolutionnaire est née.
[Glossaire]
*1 Source de lumière comprimée
Un dispositif qui génère de la lumière dans un état où les fluctuations quantiques (bruit quantique) d’une paire non commutative de quantités physiques sont compressées. Le moyen utilisé pour y parvenir permet d’induire efficacement des phénomènes optiques non linéaires.
*2 État cluster à deux dimensions (2D)
Un état d’intrication quantique à grande échelle, capable de réaliser n’importe quel modèle de calcul quantique. En 2019, le professeur Akira Furusawa et ses collègues de l’Université de Tokyo ont réalisé un état cluster optique à deux dimensions, avec plus de 10 000 bits quantiques optiques. [Réf. 1]
*3 Technique de multiplexage temporel pour la génération d’intrication quantique
Une méthode de production d’états d’intrication quantique à grande échelle, à partir d’un nombre limité de sources de lumière quantique, en séparant temporellement la lumière émise par une source de lumière quantique continue, et en interférant avec des paquets d’ondes quantiques séparés (impulsions) à l’aide d’un interféromètre à retard optique.
*4 Calcul quantique basé sur la mesure
Une méthode capable d’effectuer des calculs quantiques universels équivalents à ceux d’un ordinateur quantique basé sur les portes quantiques, et qui a fait l’objet de recherches à travers le monde. Contrairement aux calculs quantiques basés sur les portes quantiques, dans le cadre desquels les bits quantiques individuels sont intriqués par des opérations de porte, cette méthode nécessite de préparer à l’avance une intrication quantique à grande échelle. En observant quelques bits quantiques, il est possible de manipuler les bits quantiques restants.
[Référence 1]
W. Asavanant, et al., « Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state » (Génération d’un état cluster à deux dimensions temporellement multiplexé), Science 366, 373 (2019).
[Informations relatives à la publication]
Takahiro Kashiwazaki, Taichi Yamashima, Naoto Takanashi, Asuka Inoue, Takeshi Umeki, et Akira Furusawa
« Fabrication of low-loss quasi-single-mode PPLN waveguide and its application to a modularized broadband high-level squeezer » (Fabrication d’un guide d’ondes PPLN en mode quasi unique à faible perte, et application à un compresseur de haut niveau, modularisé à large bande)
Applied Physics Letters
DOI : 10.1063/5.0063118
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