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RÉSUMÉ
L'interaction entre lumière et matière joue souvent un rôle fondamental dans la conception et la réalisation de systèmes d'information quantique. Cet article décrit quelques principes du traitement quantique de l'information, puis les techniques optiques permettant la manipulation des états quantiques de la matière. Les matériaux présentés sont principalement des cristaux dopés par des ions de terres rares. Après une revue de leurs propriétés pertinentes, leurs applications aux mémoires et processeurs quantiques sont exposées.
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Light-matter interaction often plays a fundamental role in the design and implementation of quantum information systems. This paper describes a few principles of quantum information processing, and the optical techniques allowing the manipulation of quantum states of matter. The materials presented are mainly rare earth doped crystals. After a review of their relevant properties, their application to quantum memories and processors is discussed.
Auteur(s)
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Thierry CHANELIÈRE : Chargé de recherche au CNRS, laboratoire Aimé Cotton – CNRS, Orsay, France
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Anne LOUCHET-CHAUVET : Chargée de recherche au CNRS, laboratoire Aimé Cotton – CNRS, Orsay, France
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Alban FERRIER : Maître de conférences à l'université Pierre et Marie Curie, Institut de Recherche de Chimie Paris, Chimie ParisTech, Paris, France
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Philippe GOLDNER : Directeur de recherche au CNRS, Institut de Recherche de Chimie Paris, Chimie ParisTech, Paris, France
INTRODUCTION
L'idée d'information quantique est née au début des années 1980 partant d'un état de fait : il était difficile de simuler le comportement d'un système quantique à partir d'ordinateurs classiques. Ce constat a déclenché la conception d'algorithmes théoriques de traitement de l'information basés sur les lois de la mécanique quantique. Leur mise en œuvre pratique a demandé d'une part d'identifier un système physique suffisamment bien maîtrisé pour qu'il soit régi par les lois quantiques et d'autre part d'adapter les algorithmes à la réalité du terrain expérimental.
Cette quête du système idéal a naturellement impliqué plusieurs domaines de la physique allant de la physique atomique à celle du solide. La chimie n'est pas en reste puisqu'elle apporte une contribution essentielle dans le développement de nouveaux matériaux. La mise au point de cristaux optiquement actifs dans ce contexte est emblématique d'une approche interdisciplinaire.
La matérialisation expérimentale d'objets quantiques revêt systématiquement un enjeu fondamental puisqu'elle permet de répondre aux questions que les pères fondateurs de la mécanique quantique n'abordaient que par la réflexion.
Dans le cas précis des cristaux optiques, la problématique stimule des développements nouveaux alors que leur utilisation comme cristaux laser semblait les avoir portés à leur apogée. Le jeu des contraintes nouvelles a permis des évolutions dans leur fabrication, mais aussi dans la compréhension et le contrôle de la dynamique des atomes optiquement actifs.
Quel que soit le système physique, les mises en œuvre stimulent largement le domaine applicatif : de façon directe puisque quelques PME proposent des produits basés sur le traitement quantique de l'information pour la cryptographie, la génération de nombres aléatoires et très récemment pour le calcul quantique ; mais aussi de façon indirecte, puisqu'avec la miniaturisation des circuits, le comportement des électrons devient quantique. Pour que la limite floue entre mondes classique et quantique ne se révèle pas être un verrou technologique, il est important de mieux en comprendre les lois dès maintenant.
L'objectif de notre article est d'une part d'introduire les notions d'information quantique en tant que concept, de présenter les outils de sa manipulation et d'autre part de montrer dans ce contexte l'intérêt des cristaux dopés terres rares.
Nous passons en revue quelques réalisations phares actuellement à l'état de l'art pour ce domaine en devenir.
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KEYWORDS
qubits | coherent driving | crystal growth | laser control
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Mémoires quantiques
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3. Matériaux
La réalisation de systèmes quantiques optiques solides nécessite une interface lumière-matière pouvant absorber les photons de façon cohérente. Parmi les différents systèmes possibles, les cristaux dopés par des ions de terres rares apparaissent être de bons candidats. En effet, ces matériaux cristallins sont robustes, faciles d'utilisation et présentent une grande densité d'ions optiquement actifs (typiquement 1018 ions/cm3) en comparaison aux vapeurs atomiques (107 atomes/cm3).
3.1 Cristaux dopés terres rares
La famille des terres rares regroupe les 15 éléments métalliques de la famille des lanthanides présentant un numéro atomique compris entre Z = 57 et Z = 71 auxquels on ajoute l'yttrium et le scandium. Notons que, malgré cette dénomination, ces éléments sont relativement abondants (0,016 % de la croûte terrestre soit dix fois plus que le plomb et mille fois plus que l'argent). En général, ces ions existent à l'état trivalent (TR3+) et présentent la configuration atomique [Xe]4fn. Les TR3+ ne diffèrent donc que par le nombre n d'électrons de leur orbitale 4f. Ces ions peuvent être subdivisés en deux catégories en fonction de la parité de n : n pair correspond aux ions diamagnétiques (Pr3+, Eu3+, Tb3+, Ho3+ et Tm3+), tandis que pour n impair il s'agit d'ions paramagnétiques (Ce3+, Nd3+, Gd3+, Dy3+, Er3+ et Yb3+). La grande originalité des TR3+ provient du fait que les orbitales 4f sont écrantées de l'environnement par les orbitales externes 5s25p6. Deux conséquences importantes découlent de cette structure électronique originale.
À cause de l'effet d'écrantage des orbitales externes, les propriétés chimiques de ces ions sont très voisines. Pour notre application, cette similitude devient un avantage puisqu'il devient donc aisé de doper un cristal contenant un ion de terre rare dans sa composition par un autre ion de cette famille. De même, les ions TR3+ sont très peu sensibles à leur...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - EINSTEIN (A.), PODOLSKY (B.), ROSEN (N.) - Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete ? - Phys. Rev., 47(10), p. 777 (1935).
-
(2) - KIMBLE (H.J.) - The quantum internet. - Nature, 453, p. 1023-1030 (2008).
-
(3) - SHOR (P.W.) - Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on quantum computer. - SIAM Journal on Computing, 26(5), p. 1484-1509 (1997).
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(4) - GROVER (L.K.) - Quantum mechanics helps in searching for a needle in a haystack. - Phys. Rev. Lett., 79, p. 325-328 (1997).
-
(5) - HAROCHE (S.), Nobel Lecture - Controlling photons in a box and exploring the quantum to classical boundary. - Nobelprize.org., Nobel Media AB 2013, Web., 8, nov. 2013.
-
(6) - KÖNZ (F.), SUN (Y.), THIEL (C.W.), CONE (R.), EQUALL (R.), HUTCHESON (R.), MACFARLANE (R.M.) - Temperature...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Liens :
• QUREP : projet européen pour le développement d'un répéteur quantique http://www.quantumrepeaters.eu/
Solutions complètes de sécurisation par cryptographie quantique
Entreprises spécialisées dans le domaine
• IDQ, Genève (Suisse) http://www.idquantique.com/instrumentation/clavis.html
• MagiQ Technologies, Boston (États-Unis) http://www.magiqtech.com/
• D-Wave Systems Inc., Burnaby, British Columbia (Canada) http://www.dwavesys.com/
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