Des interactions photoniques inédites : une avancée vers l’ordinateur quantique ?

Schématiquement, on peut distinguer dans le monde qui nous entoure deux classes d’objets : la matière, composée à partir d’atomes, et les ondes. Les atomes s’influencent facilement les uns les autres ; par exemple si vous lancez deux billes l’une contre l’autre, leurs trajectoires vont être modifiées. 

Les ondes, en revanche, peuvent passer l’une à travers l’autre. Les vaguelettes, donc les ondes, créées par le jet d’un caillou dans l’eau, peuvent ainsi tout à fait traverser d’autres vaguelettes. 

Mais certaines des ondes électromagnétiques, qu’on appelle des micro-ondes photoniques – ou photons – et qui sont créées par l’excitation, ou plus précisément l’oscillation, des électrons, peuvent être considérées en physique quantique comme des particules, capables d’interagir les unes avec les autres. 

Dans le domaine de la lumière visible par exemple, il est ainsi possible de faire se rencontrer deux sources laser au sein d’un cristal non linéaire. Les propriétés particulières de celui-ci font que dans cet espace, les photons interagissent et l’un influence l’état de l’autre. Récemment, des chercheurs sont aussi parvenus à faire interagir deux ou trois photons dans des nuages d’atomes géants. 

Oui, celle des supraconducteurs. Ce sont des matériaux sur lesquels notre laboratoire travaille historiquement et qui présentent l’avantage de pouvoir être "sculptés" en petits circuits, comme ceux utilisés pour les ordinateurs classiques, et que l’on peut donc plus facilement imaginer adapter à l’ordinateur quantique. Dans ces circuits électromagnétiques, les électrons, réunis par paires, circulent presque sans frottement. 

En y intégrant des résonateurs, de minuscules objets métalliques, on peut provoquer l’oscillation des électrons, donc la création de photons et leur potentielle interaction. Pour cela, le résonateur doit intégrer un autre composant, dix fois plus fin qu’un cheveu : une jonction Josephson. Elle consiste en deux aiguilles supraconductrices, séparées par seulement une dizaine de molécules d’oxyde. Normalement, les électrons ne peuvent pas traverser cette couche d’oxyde, mais un effet tunnel quantique permet en fait le passage de paires d’électrons. Toutes ces données sont connues depuis plusieurs dizaines d’années, mais jusqu’ici les résultats étaient plutôt discrets : soit les photons n’interagissaient pas du tout entre eux, soit, au mieux, ils interagissaient faiblement. 

Nous étudiions au départ les jonctions Josephson dans le cadre de nos recherches sur la mise au point d’un qubit protégé. Le qubit est l’unité de stockage de l’information pour l’ordinateur quantique, qui présente l’avantage de pouvoir être dans deux états à la fois… Et les promesses de l’ordinateur quantique reposent d’ailleurs en partie sur cette superposition d’états : elle permet d’effectuer les calculs à des vitesses nettement supérieures à celle des ordinateurs classiques. Le souci ? Elle n’est pas stable dans le temps et lorsqu’elle se dégrade, elle entraîne des erreurs. Nous avions donc l’idée d’utiliser un assemblage de jonctions Josephson en tant que filtre, afin de faire en sorte que dans un circuit, seules les paires de paires d’électrons puissent passer à certains endroits. Ainsi, si deux états ne sont différenciés que par une seule paire d’électrons, le qubit ne pourra pas aller de l’un à l’autre et restera stable.

Nous avons ainsi conçu une sorte d’interféromètre, un petit circuit qui comprend une centaine de jonctions reliées entre elles, et dans lequel passe un flux magnétique d’une valeur très précise. Nous l’avons baptisé « élément de tunnelage de paires de Cooper appariées » ou KITE (Kinetic Interference coTunneling Element). Et nous nous sommes rendu compte alors qu’il pouvait aussi servir à faire interagir des photons micro-ondes entre eux… ce que nous avons décidé de tester. 

D’abord, il a fallu fabriquer notre KITE et sa nanoréalisation a été un défi, car la structure ne mesure que quelques micromètres de long et quelques centaines de nanomètres de large. Nous avons fait appel à la lithographie électronique, une sorte de gravure par faisceau d’électrons, comme celle utilisée pour la conception des processeurs classiques. 

Mais le plus complexe a été de trouver comment révéler expérimentalement l’interaction des photons les uns avec les autres. Nous avons opté pour la spectroscopie, qui nous permet de visualiser la fréquence nécessaire à l’introduction d’un photon dans le résonateur. 

En effet, pour créer un photon, il faut exciter les électrons avec une lumière micro-onde d’une fréquence particulière ; si lorsque j’essaie d’introduire un deuxième photon, cette fréquence change, c’est la preuve que la présence du premier photon modifie le système et donc qu’il y a une interaction. Dans les circuits contenant des jonctions Josephson testés jusqu’ici, de tels effets pouvaient être notés : pour chaque photon introduit, la fréquence à employer était un peu plus basse. 

Nous avons observé un motif jusqu’ici inconnu : pour introduire un deuxième photon, puis un troisième et un quatrième, parfois la fréquence devait augmenter, parfois elle devait baisser et les amplitudes étaient beaucoup plus importantes que dans les systèmes classiques. Preuve que les interactions entre les photons étaient beaucoup plus puissantes que celles obtenues jusqu’ici ! 

Nous avons arrêté l’expérience à quatre photons pour des raisons techniques essentiellement (les matériaux supraconducteurs doivent notamment être placés dans des réfrigérateurs où la température est proche du zéro absolu !), mais ces résultats suffisent à démontrer le fonctionnement de notre système et la théorie peut prédire le reste. C’est à la fois une belle surprise de voir que notre idée fonctionne et d’avoir pu si bien le démontrer !

Cette découverte pourrait permettre en premier lieu d’observer de nouveaux états de lumière. De la même manière que la matière est créée par un agencement d’atomes, nous pouvons imaginer un système, basé sur notre KITE, qui condense de nombreux photons afin de produire des agglomérats ou des cristaux photoniques. Ce serait déjà une avancée majeure d’un point de vue fondamental sur l’optique quantique. Une fois celle-ci réalisée, il faudra en étudier les applications possibles, mais elles sont pour le moment encore difficiles à imaginer. 

Sur un autre plan, nos résultats ouvrent aussi une nouvelle voie de recherche pour l’ordinateur quantique : l’information pourrait y être codée de manière que, par exemple, un photon ne passe que si un autre photon est présent ou au contraire absent, ce qui ne peut se faire que si les photons sont capables de se détecter et donc d’interagir. En multipliant les interactions entre photons, cela permettrait de créer des portes logiques quantiques (qui calculent un résultat en fonction des données d’entrée) plus complexes et donc de réaliser des calculs encore plus rapidement.

Pas dans l’immédiat car finalement, ce beau résultat n’est qu’une digression par rapport à notre recherche sur le qubit protégé. Nous allons donc nous reconcentrer sur celui-ci, d’autant que grâce à cette étude, nous avons avancé sur le sujet : nous disposons à présent de solides bases théoriques sur le KITE, d’une meilleure compréhension de son fonctionnement, d’une maîtrise de sa fabrication, etc. Tout cela va nous permettre de progresser sur le qubit protégé, de continuer à faire avancer la recherche sur l’ordinateur quantique… et de contribuer à concrétiser cette révolution.

Zaki Leghtas est né à Agadir (Maroc) en 1986, et immigre en France en 2004 pour y poursuivre ses études en classes préparatoires, puis intègre l’École des Mines à Paris en 2006. Il y rencontre Pierre Rouchon et Mazyar Mirrahimi, avec lesquels il effectue une thèse en mathématiques appliquées entre les Mines Paris-PSL et Inria jusqu'à 2012.  Zaki s'envole vers Yale (USA) pour un postdoc dans l'équipe de Michel Devoret entre 2012 et 2015, et revient en France en 2016 au sein de l'équipe-projet commune QUANTIC (ENS-PSL, Mines Paris-PSL, CNRS, Inria). Depuis, Zaki est professeur à Mines Paris, lauréat d'une bourse ERC et conseiller scientifique de la startup Alice & Bob. Plus d’informations sur la page personnelle de Zaki Leghtas.

Lire l’article publié dans Nature Communications : "Spectral signature of high-order photon processes enhanced by Cooper-pair pairing".

En savoir plus sur l'informatique quantique :

• La révolution de la mécanique quantique est parmi nous et observable au quotidien, Science et Vie, 13/2/2025.
• Ordinateur quantique : une architecture inédite pour chasser les erreurs, Inria, 10/6/2025.
• L’ordinateur quantique français enfin prêt ? Reportage dans la start-up française Quandela (vidéo), Le Blob, 31/3/2025.
• L'information quantique, interview de Zaki Leghtas (vidéo), Mines Paris - PSL, 17/7/2020.
• « Aucun État ne veut rater le coche de l’ordinateur quantique », interview de Zaki Leghtas, Usbek & Rica, 5/5/2019.
• Une bourse ERC pour Zaki Leghtas : un pas de plus vers l’ordinateur quantique ? Inria, 4/11/2019.