Le premier routeur photonique du monde

Des chercheurs de l'Institut Weizmann ont, pour la première fois, fait la démonstration d’un routeur photonique, un dispositif quantique basé sur un atome individuel qui permet que des photons individuels soient acheminés par des photons individuels. Cette réussite, publiée dans la revue Science, est une nouvelle étape qui permettra de surmonter les difficultés rencontrées vers la construction d’ordinateurs quantiques.

Au cœur de ce dispositif se trouve un atome qui peut passer d’un état à un autre. L’état est déterminé uniquement lorsqu’une particule individuelle de lumière – un photon – est envoyé de la droite ou de la gauche dans une fibre optique. Conformément à cela, l’atome reflète ou transmet en réponse le photon suivant. Par exemple, dans un état donné, un photon venant de droite continue son chemin vers la gauche, alors qu’un photon venant de gauche est réfléchi vers l’arrière en inversant l’état atomique. Dans l’état inversé, l’atome laisse les photons venant de gauche continuer dans la même direction, tandis que les photons venant de droite sont réfléchis vers l’arrière, inversant de nouveau l’état atomique. Ce commutateur basé sur l’atome est donc actionné seulement par des photons individuels – aucun champ externe n’étant nécessaire.

« En un certain sens, ce dispositif agit comme un équivalent photonique des transistors électroniques qui commutent des courants électriques en réponse à d’autres courants électriques. » Telle est l’explication du docteur Barak Dayan qui dirige le groupe d’optique quantique de l'Institut Weizmann, dont les membres sont Itay Shomroni, Serge Rosenblum, Yulia Lovsky, Orel Bechler et Gabriel Guendleman, du département de Physique chimique à la faculté de Chimie. Les photons ne sont pas seulement les éléments qui transportent le flux des informations, mais aussi ceux qui contrôlent le dispositif.

Cette réussite a été rendue possible grâce à la combinaison de deux technologies de pointe. L’une est le refroidissement par laser et la capture d’atomes. L’autre est la fabrication de résonateurs optiques miniatures d’excellente qualité, basés sur des puces couplées directement avec les fibres optiques. Le laboratoire du docteur Dayan à l'Institut Weizmann est l’un des laboratoires, peu nombreux dans le monde, qui maîtrisent à la fois ces deux technologies.

La motivation essentielle qui pousse à développer des ordinateurs quantiques est le phénomène quantique de superposition, dans lequel les particules peuvent exister dans un grand nombre d’états à la fois, et sont de ce fait potentiellement capables de traiter parallèlement d’énormes quantités de données. Or la superposition ne peut durer que le temps que rien n’observe ou ne mesure le système – car si cela arrive, elle s’effondre et le système passe à un seul des états possibles. Les photons sont par conséquent les candidats les plus prometteurs pour la communication entre les systèmes quantiques, car entre eux il n’y a normalement aucune interaction, et les interactions avec d’autres particules sont très faibles.

Le docteur Dayan ajoute : « Il faudra encore longtemps jusqu’à ce qu’on puisse produire des ordinateurs quantiques, mais le dispositif que nous avons construit fait la démonstration d’un système simple et robuste, qui pourrait être utilisé à l’avenir dans l’architecture de nouveaux ordinateurs. Dans la démonstration actuelle, un atome individuel fonctionne comme un transistor – ou comme un commutateur à deux positions – pour les photons. Dans nos expériences futures, nous espérons élargir l’éventail de dispositifs basés uniquement sur les photons, et nous espérons par exemple développer de nouvelles sortes de mémoires quantiques ou de portes logiques. »