Cristaux et dispositifs optiques pour le traitement de l'information quantique

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.