Brevet FR3131036A1 — publié le 20230623

Système de conversion d’encodage de qubits discrets en qubits continus L’invention concerne un système (1, 1’, 1’’) de conversion d’encodage de qubits encodés en variable discrète en qubits encodés en variable continue, comprenant : - une première et une deuxième sources d’état de vide comprimé (3, 5) configurées pour générer un état de vide comprimé respectivement monomode et à deux modes, - un premier et un deuxième séparateurs de faisceau (7, 9) agencés pour recevoir respectivement des photons des première et deuxième sources, - un troisième et un quatrième séparateurs de faisceau (11, 13) configurés pour mélanger des états de photon respectivement des voies de conditionnement des première et deuxième sources, et du qubit encodé en variable discrète et de la voie de signal de la deuxième source, - un premier et un deuxième détecteurs (15), agencés en sortie respectivement du troisième et du quatrième séparateur de faisceau, le deuxième détecteur étant un dispositif de comptage de photons. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Système de conversion d’encodage de qubits discrets en qubits continus La présente invention concerne le domaine de l’information quantique. Elle concerne plus précisément un système de conversion d’encodage de bits quantiques de variables quantiques discrètes en variables quantiques continues, permettant de mettre en œuvre des interconnexions quantiques entre systèmes hétérogènes. Les techniques d’information quantique se sont développées suivant deux approches traditionnellement séparées : une approche basée sur des bits quantiques, ou qubits, encodés en variables discrètes et une approche basée sur des qubits encodés en variables continues. Un encodage en variable discrète repose sur l’utilisation d’observables dont les valeurs propres peuvent prendre des valeurs discrètes. Des qubits discrets peuvent par exemple être encodés sur le spin d’un électron, la polarisation d’un photon, la présence ou l’absence d’une particule ou encore sur un intervalle de temps (« time-bin » en anglais). Cette dernière possibilité consiste à créer un état de superposition d’une particule en lui laissant la possibilité de passer par deux chemins optiques de longueur différente, créant ainsi une superposition cohérente des deux états quantiques de la particule. Un encodage en variable continue repose sur l’utilisation d’observables dont les valeurs propres peuvent prendre des valeurs continues. Des qubits continus peuvent par exemple être encodés par une superposition d’états cohérents de lumière. Les outils et les concepts développés pour ces deux types de variables sont généralement différents et ils ne peuvent pas être utilisés de manière interchangeable. Ainsi, un dispositif conçu pour manipuler des qubits discrets ne sera généralement pas compatible avec un dispositif conçu pour manipuler des qubits continus. A titre d’exemple, les qubits discrets peuvent être plus facilement stockés dans des mémoires quantiques, mais les protocoles de manipulation de ces qubits restent à ce jour majoritairement probabilistes. Les qubits continus permettent au contraire l’implémentation de protocoles déterministes tels que la téléportation déterministe d’un état, et peuvent faciliter certaines fonctionnalités de calcul quantique. Diverses implémentations d’ordinateurs quantiques sont en cours de réalisation et reposent également sur des encodages différents de l’information. Il est donc particulièrement utile de pouvoir convertir l’encodage d’un qubit entre variable discrète et variable continue afin d’assurer une compatibilité entre différents équipements d’information quantique. Cela permet notamment de mettre en œuvre des réseaux quantiques hétérogènes comportant des systèmes manipulant des qubits discrets et des systèmes manipulant des qubits continus. La demande US2005/254823 porte sur un dispositif de conversion ou de transfert d’information quantique encodée sous forme de photons d’un premier état de photon vers un deuxième état de photon. Plusieurs modes de réalisation du dispositif sont divulgués. L’article « Entanglement and teleportation between polarization and wave -like encodings of an optical qubit », Sychev et al., Nature Communications 9, 3672, 2018, décrit un dispositif expérimental de téléportation d’un qubit discret encodé en polarisation vers un qubit continu encodé dans une base de superposition d’états cohérents. Dans ce dispositif, l’état intriqué hybride entre le qubit discret et le qubit continu est créé avec une forte contribution du vide qui ne peut être écartée que par une étape de post-sélection. Or la mise en œuvre d’une étape de post-sélection n’est pas acceptable pour des protocoles de transfert d’états quantiques inconnus, car il n’est alors pas possible de déterminer quels sont les événements qui peuvent être ignorés. L’article « Engineering optical hybrid entanglement between discrete- and continuous-variable states », Huang et al., New Journal of Physics 21, 083033, 2019, divulgue un concept théorique d’intrication hybride entre qubits discrets et continus. Cependant, aucune mise en œuvre pratique n’est décrite. Il existe donc un besoin pour proposer un système de conversion d’encodage de qubits discrets en qubits continus qui améliore les performances des dispositifs existants, notamment en éliminant le recours à une étape de post-sélection et rend possible la réalisation de liens quantiques hétérogènes. Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. Pour ce faire, l’invention concerne un système de conversion d’encodage de qubits encodés en variable discrète en qubits encodés en variable continue, comprenant : - une voie d’entrée d’un qubit encodé en variable discrète, - une première source d’état de vide comprimé, notamment un oscillateur paramétrique optique opéré sous le seuil d’oscillation, configurée pour générer un état de vide comprimé monomode, - une deuxième source d’état de vide comprimé, notamment un oscillateur paramétrique optique, configurée pour générer un état de vide comprimé à deux modes, - un premier séparateur de faisceau agencé pour recevoir des photons de la première source d’état de vide comprimé, un premier chemin optique de sortie du premier séparateur de faisceau constituant une voie de sortie d’un qubit encodé en variable continue et un deuxième chemin optique de sortie du premier séparateur de faisceau constituant une voie de conditionnement de la première source d’état de vide comprimé, - un deuxième séparateur de faisceau, polarisant, agencé pour recevoir des photons de la deuxième source d’état de vide comprimé, un premier chemin optique de sortie du deuxième séparateur de faisceau constituant une voie de conditionnement de la deuxième source d’état de vide comprimé et un deuxième chemin optique de sortie du deuxième séparateur de faisceau constituant une voie de signal de la deuxième source d’état de vide comprimé, - un troisième séparateur de faisceau agencé sur le deuxième chemin optique de sortie du premier séparateur de faisceau et sur le premier chemin optique de sortie du deuxième séparateur de faisceau, configuré pour mélanger des états de photon de la voie de conditionnement de la première source d’état de vide comprimé et de la voie de conditionnement de la deuxième source d’état de vide comprimé, - un quatrième séparateur de faisceau agencé sur un chemin optique du qubit encodé en variable discrète et sur le deuxième chemin optique de sortie du deuxième séparateur de faisceau, configuré pour mélanger des états de photon du qubit encodé en variable discrète et de la voie de signal de la deuxième source d’état de vide comprimé, - un premier détecteur de photons agencé sur un premier chemin optique de sortie du troisième séparateur de faisceau, - un deuxième détecteur de photons agencé sur un premier chemin optique de sortie du quatrième séparateur de faisceau, le deuxième détecteur de photons étant un dispositif de comptage de photons. L’invention permet de réaliser une téléportation hybride entre variable continue et variable discrète. Cela est obtenu en mélangeant les modes complémentaires des première et deuxième sources d’état de vide comprimé, ce qui créé une intrication hybride, et en mélangeant un qubit discret d’entrée avec le mode discret de l’état d’intrication hybride. Une mesure de Bell est effectuée par le dispositif de comptage de photons, ce qui annonce le succès de la conversion. Ainsi, l’invention permet une conversion d’encodage de qubits qui ne nécessite aucune étape de post-sélection. Le séparateur de faisceau est par exemple un miroir semi-réfléchissant. Dans le cadre de l’invention, une source d’état de vide comprimé est un dispositif comportant des propriétés non linéaires permettant la génération d’états de vide comprimés, notamment des états de vide comprimés à un ou à deux modes. Une source d’état de vide comprimé est par exemple un cristal non linéaire en passage unique, notamment un amplificateur paramétrique optique (OPA), un cristal non linéaire agencé dans une cavité, notamment un oscillateur paramétrique optique (OPO), une fibre optique comprenant des non-linéarités de troisième ordre par exemple obtenues par des mélanges à quatre ondes ou par effet Kerr, ou encore un système atomique permettant des interactions lumière-matière tel que des vapeurs chaudes ou des nuages d’atome. Selon un mode de réalisation préféré, le système comporte un quatrième détecteur de photons agencé sur un deuxième chemin optique de sortie du quatrième séparateur de faisceau. De préférence, le quatrième détecteur de photons est un dispositif de comptage de photons. Le quatrième détecteur de photons peut être utilisé pour réaliser un asservissement de phase ou, lorsqu’il est constitué par un dispositif de comptage de photons, pour réaliser une mesure de Bell. Si le quatrième détecteur est utilisé pour réaliser une mesure de Bell, on agence de préférence un séparateur de faisceau supplémentaire entre le quatrième séparateur et le troisième détecteur ou entre le quatrième séparateur et le quatrième détecteur, l’une des voies de sortie du séparateur de faisceau supplémentaire étant dirigée vers un détecteur de photon supplémentaire, tel qu’une photodiode, permettant de réaliser un asservissement de phase. De manière avantageuse, le système comporte un troisième détecteur de photons sur un deuxième chemin optique de sortie du troisième séparateur de faisceau. Le troisième détecteur de photons peut être utilisé pour réaliser un asservissement de phase ou pour préparer un état d’intrication hybride avec une phase opposée à l’état préparé par le premier détecteur de photons. Si le troisième détecteur n’est pas utilisé pour réaliser un asservissement de phase, on agence de préférence un séparateur de faisceau supplémentaire entre le troisième séparateur et le premier détecteur ou entre le troisième séparateur et le troisième détecteur, l’une des voies de sortie du séparateur de faisceau supplémentaire étant dirigée vers un détecteur de photon supplémentaire, tel qu’une photodiode, permettant de réaliser un asservissement de phase. Selon un mode de réalisation particulier, le système comporte un dispositif configuré pour appliquer un opérateur de déplacement, agencé entre le deuxième séparateur de faisceau et le troisième séparateur de faisceau. Selon une variante, le système comporte en outre : - une troisième source d’état de vide comprimé, notamment un oscillateur paramétrique optique sous le seuil d’oscillation, configurée pour générer un état de vide comprimé à deux modes, le deuxième séparateur de faisceau étant agencé pour recevoir des photons de la deuxième et de la troisième sources d’état de vide comprimé, - un cinquième séparateur de faisceau, polarisant, agencé entre le premier détecteur de photon et le troisième séparateur de faisceau de sorte que le premier détecteur de photons est agencé sur un premier chemin optique de sortie du cinquième séparateur de faisceau, - un sixième séparateur de faisceau, polarisant, agencé entre le troisième détecteur de photon et le troisième séparateur de faisceau de sorte que le troisième détecteur de photons est agencé sur un premier chemin optique de sortie du sixième séparateur de faisceau, - un cinquième détecteur de photons agencé sur un deuxième chemin optique de sortie du cinquième séparateur de faisceau et un sixième détecteur de photons agencé sur un deuxième chemin optique de sortie du sixième séparateur de faisceau. Cette configuration permet avantageusement de convertir l’encodage de qubits discrets encodés en polarisation en des qubits continus. Alternativement, le système comprend en outre : - une première boucle de retard agencée entre le premier et le troisième séparateur de faisceau, - une deuxième boucle de retard agencée entre le deuxième et le troisième séparateur de faisceau, - une troisième boucle de retard agencée entre le deuxième et le quatrième séparateur de faisceau. Cette configuration permet avantageusement de convertir des qubits discrets encodés sur un intervalle de temps ( time-bin ) en qubits continus. De préférence, le système comprend alors une voie d’entrée d’un état de vide reliée à une entrée de la première boucle de retard et un deuxième dispositif de déplacement agencé sur la voie d’entrée d’un état de vide et configuré pour appliquer un opérateur de déplacement sur l’état de vide. Avantageusement, le deuxième détecteur de photons comporte un septième séparateur de faisceau, un détecteur de photons uniques par nanofil supraconducteur (« superconducting nanowire single-photon detector » ou SNSPD en anglais) agencé sur un premier chemin optique de sortie du septième séparateur de faisceau et un détecteur homodyne agencé sur un deuxième chemin optique de sortie du septième séparateur de faisceau. Cette caractéristique améliore la mesure de Bell. L’invention porte également sur un ensemble de conversion comportant un système de conversion selon l’invention et un système de création d’un qubit encodé en variable discrète, le système de création étant configuré pour transmettre un qubit encodé en variable discrète au système de conversion par la voie d’entrée d’un qubit. L’invention porte aussi sur un procédé de conversion d’encodage d’un qubit encodé en variable discrète en un qubit encodé en variable continue, notamment mis en œuvre par un système selon l’invention tel que défini ci-dessus, comprenant les étapes consistant à : - fournir un qubit photonique d’entrée encodé en variable discrète ; - réaliser une intrication hybride entre un mode discret et un mode continu ; - réaliser un mélange du qubit d’entrée avec le mode discret de l’intrication hybride ; - réaliser une mesure de Bell du mélange par détection de photons individuels ; - obtenir un qubit de sortie encodé en variable continue à partir du mode continu de l’intrication hybride. De préférence, l’étape de réalisation de l’intrication hybride entre le mode discret et le mode continu comprend les actions consistant à : - fournir un état de vide comprimé de lumière monomode, constituant le mode continu, et un état de vide comprimé de lumière à deux modes, constituant le mode discret ; - réaliser une intrication hybride en mélangeant une voie de conditionnement d’états discrets issus de l’état de vide comprimé à deux modes et une voie de conditionnement d’états continus issus de l’état de vide comprimé monomode. Le mode comprimé et l’état comprimé à deux modes sont de préférence générés chacun par une source d’état de vide comprimé, telle qu’un oscillateur paramétrique optique, un amplificateur paramétrique optique, une fibre optique ou un système atomique. La mesure de Bell est de préférence réalisée par un dispositif de comptage de photons comportant un séparateur de faisceau, un détecteur SNSPD agencé sur un premier chemin optique de sortie du séparateur de faisceau et un détecteur homodyne agencé sur un deuxième chemin optique de sortie du séparateur de faisceau. La représente schématiquement un système selon l’invention configuré pour convertir un qubit encodé en variable discrète sur la base de Fock en un qubit encodé en variable continue. La représente schématiquement un système selon l’invention configuré pour convertir un qubit discret encodé en polarisation en un qubit encodé en variable continue. La représente schématiquement un système selon l’invention configuré pour convertir un qubit discret encodé sur un intervalle de temps (« time-bin ») en un qubit encodé en variable continue. La est une vue de détail d’une boucle de retard telle qu’utilisée dans le système de la . La illustre un système selon l’invention associé à un système de création d’un qubit discret encodé sur la base de Fock. Système (1, 1’, 1’’) de conversion d’encodage de qubits encodés en variable discrète en qubits encodés en variable continue, comprenant : - une voie d’entrée (2) d’un qubit encodé en variable discrète, - une première source d’état de vide comprimé (3), notamment un oscillateur paramétrique optique sous le seuil d’oscillation, configurée pour générer un état de vide comprimé monomode, - une deuxième source d’état de vide comprimé (5), notamment un oscillateur paramétrique optique sous le seuil d’oscillation, configurée pour générer un état de vide comprimé à deux modes, - un premier séparateur de faisceau (7) agencé pour recevoir des photons de la première source d’état de vide comprimé, un premier chemin optique de sortie du premier séparateur de faisceau constituant une voie de sortie (8) d’un qubit encodé en variable continue et un deuxième chemin optique de sortie constituant une voie de conditionnement de la première source d’état de vide comprimé, - un deuxième séparateur de faisceau (9), polarisant, agencé pour recevoir des photons de la deuxième source d’état de vide comprimé, un premier chemin optique de sortie du deuxième séparateur de faisceau constituant une voie de conditionnement de la deuxième source d’état de vide comprimé et un deuxième chemin optique de sortie constituant une voie de signal de la deuxième source d’état de vide comprimé, - un troisième séparateur de faisceau (11) agencé sur le deuxième chemin optique de sortie du premier séparateur de faisceau et sur le premier chemin optique de sortie du deuxième séparateur de faisceau, configuré pour mélanger des états de photon de la voie de conditionnement de la première source d’état de vide comprimé et de la voie de conditionnement de la deuxième source d’état de vide comprimé, - un quatrième séparateur de faisceau (13) agencé sur un chemin optique du qubit encodé en variable discrète et sur le deuxième chemin optique de sortie du deuxième séparateur de faisceau, configuré pour mélanger des états de photon du qubit encodé en variable discrète et de la voie de signal de la deuxième source d’état de vide comprimé, - un premier détecteur de photons (15) agencé sur un premier chemin optique de sortie du troisième séparateur de faisceau, - un deuxième détecteur de photons (19) agencé sur un premier chemin optique de sortie du quatrième séparateur de faisceau, le deuxième détecteur de photons étant un dispositif de comptage de photons. Système selon la revendication précédente, comportant un troisième détecteur de photons (17) sur un deuxième chemin optique de sortie du troisième séparateur de faisceau. Système selon l’une des revendications précédentes, comportant un quatrième détecteur de photons (21) agencé sur un deuxième chemin optique de sortie du quatrième séparateur de faisceau. Système selon la revendication précédente, le quatrième détecteur de photons étant un dispositif de comptage de photons. Système selon l’une des revendications précédentes, comportant un dispositif (23) configuré pour appliquer un opérateur de déplacement agencé entre le deuxième séparateur de faisceau et le troisième séparateur de faisceau. Système selon l’une des revendications 2 à 5, comportant en outre : - une troisième source d’état de vide comprimé (25), notamment un oscillateur paramétrique optique sous le seuil d’oscillation, configurée pour générer un état de vide comprimé à deux modes, le deuxième séparateur de faisceau étant agencé pour recevoir des photons de la deuxième et de la troisième sources d’état de vide comprimé, - un cinquième séparateur de faisceau (27), polarisant, agencé entre le premier détecteur de photon (15) et le troisième séparateur de faisceau (11) de sorte que le premier détecteur de photons est agencé sur un premier chemin optique de sortie du cinquième séparateur de faisceau, - un sixième séparateur de faisceau (29), polarisant, agencé entre le troisième détecteur de photon (17) et le troisième séparateur de faisceau (11) de sorte que le troisième détecteur de photons est agencé sur un premier chemin optique de sortie du sixième séparateur de faisceau, - un cinquième détecteur de photons (31) agencé sur un deuxième chemin optique de sortie du cinquième séparateur de faisceau (27) et un sixième détecteur de photons (33) agencé sur un deuxième chemin optique de sortie du sixième séparateur de faisceau (29). Système selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant en outre : - une première boucle de retard (39) agencée entre le premier et le troisième séparateur de faisceau, - une deuxième boucle de retard (41) agencée entre le deuxième et le troisième séparateur de faisceau, - une troisième boucle de retard (43) agencée entre le deuxième et le quatrième séparateur de faisceau. Système selon la revendication précédente, comprenant une voie d’entrée (35) d’un état de vide reliée à une entrée de la première boucle de retard et un deuxième dispositif de déplacement (37) agencé sur la voie d’entrée d’un état de vide et configuré pour appliquer un opérateur de déplacement sur l’état de vide. Système selon l’une des revendications précédentes, le deuxième détecteur de photons (19) comportant un septième séparateur de faisceau (55), un détecteur SNSPD (57) agencé sur un premier chemin optique de sortie du septième séparateur de faisceau et un détecteur homodyne (59) agencé sur un deuxième chemin optique de sortie du septième séparateur de faisceau. Ensemble de conversion comportant un système de conversion selon l’une des revendications précédentes et un système de création (100) d’un qubit encodé en variable discrète, le système de création étant configuré pour transmettre un qubit encodé en variable discrète au système de conversion par la voie d’entrée (2) d’un qubit. Procédé de conversion d’encodage d’un qubit encodé en variable discrète en un qubit encodé en variable continue, notamment mis en œuvre par un système selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant les étapes consistant à : - fournir un qubit photonique d’entrée encodé en variable discrète ; - réaliser une intrication hybride entre un mode discret et un mode continu ; - réaliser un mélange du qubit d’entrée avec le mode discret de l’intrication hybride ; - réaliser une mesure de Bell du mélange par détection de photons individuels ; - obtenir un qubit de sortie encodé en variable continue à partir du mode continu de l’intrication hybride. Procédé selon la revendication précédente, l’étape réalisant l’intrication hybride entre le mode discret et le mode continu comprenant les actions consistant à : - fournir un état de vide de lumière monomode, constituant le mode continu, et un état de vide comprimé de lumière à deux modes, constituant le mode discret ; - réaliser une intrication hybride en mélangeant une voie de conditionnement d’états discrets issus de l’état de vide comprimé à deux modes et une voie de conditionnement d’états continus issus de l’état de vide comprimé monomode.