Des scientifiques de l'Institut de physique de l'Université de Tartu ont trouvé un moyen de développer des ordinateurs quantiques optiques d'un nouveau type. Au cœur de la découverte se trouvent les ions de terres rares qui ont certaines caractéristiques et peuvent agir comme des bits quantiques. Celles-ci donneraient aux ordinateurs quantiques une vitesse de calcul ultrarapide et une meilleure fiabilité par rapport aux solutions antérieures. Les chercheurs de l'Université de Tartu Vladimir Hizhnyakov, Vadim Boltrouchtko, Helle Kaasik et Yurii Orlovskii ont publié les résultats de leurs recherches dans la revue scientifique Optique Communication .

Alors que dans les ordinateurs ordinaires, les unités d'information sont des chiffres binaires ou des bits, dans les ordinateurs quantiques, les unités sont des bits quantiques ou des qubits. Dans un ordinateur ordinaire, l'information est principalement transportée par l'électricité dans des cellules de stockage de mémoire constituées de transistors à effet de champ, mais dans un ordinateur quantique, selon le type d'ordinateur, les supports d'information sont des particules beaucoup plus petites, par exemple des ions, photons et électrons. L'information qubit peut être portée par une certaine caractéristique de cette particule (par exemple, spin de l'électron ou polarisation du photon), qui peut avoir deux états. Alors que les valeurs d'un bit ordinaire sont 0 ou 1, des variantes intermédiaires de ces valeurs sont également possibles dans le bit quantique. L'état intermédiaire est appelé la superposition. Cette propriété donne aux ordinateurs quantiques la capacité de résoudre des tâches, que les ordinateurs ordinaires ne peuvent pas exécuter dans un délai raisonnable.

Qubits de cristaux d'ions mixtes

Des chercheurs de l'Institut de physique de l'Université de Tartu ont montré que les microcristaux, synthétisé à partir de matrices cristallines de fluorures optiques mixtes dopées à l'erbium, le praséodyme et quelques autres ions d'éléments des terres rares, peuvent fonctionner comme des qubits qui permettent l'informatique quantique optique ultrarapide.

le professeur Vladimir Hizhnyakov, membre de l'Académie estonienne des sciences, dit que lors de la sélection des ions, leurs états électroniques de propriétés très différentes sont de la plus haute importance. "Ils doivent avoir au moins deux états dans lesquels l'interaction ionique est très faible. Ces états conviennent aux opérations de logique quantique de base sur des bits quantiques uniques. De plus, un ou plusieurs états sont nécessaires dans lesquels l'interaction ionique est forte - ces états permettent des opérations de logique quantique avec deux qubits ou plus. Tous ces états doivent avoir une durée de vie longue (milli- ou microseconde) et des transitions optiques doivent être autorisées entre ces états, " expliqua Hijniakov.

Il dit que jusqu'à présent, trouver de tels états électroniques d'ions de terres rares n'était pas considéré comme possible, et c'est pourquoi les scientifiques n'ont pas cherché de tels états appropriés pour les qubits parmi eux. "Jusque là, la plupart du temps, les états de spin des noyaux atomiques ont été étudiés pour le rôle des qubits. Cependant, leur fréquence est un million de fois inférieure à la fréquence de nos bits quantiques. C'est pourquoi également les ordinateurs quantiques créés sur la base de ces qubits seraient significativement plus lents que les ordinateurs avec nos bits quantiques basés sur les états électroniques, " il expliqua.

Vitesse plus élevée et moins d'erreurs

Un cycle de travail ultrarapide permettrait, selon Hijniakov, surmonter l'un des principaux obstacles à la création d'ordinateurs quantiques. Les qubits sont notamment très sensibles à leur environnement, c'est pourquoi toute interférence environnementale peut conduire à des erreurs de calcul quantique. "Le temps de cohérence des qubits, c'est-à-dire la durée de l'état quantique pur, est très court. Plus le cycle de calcul est rapide, moins l'interférence est causée par le milieu environnant dans le travail des qubits, " expliqua Hijniakov.

Il a été établi que la méthode spectrale de combustion des trous, précédemment développé à l'Institut de Physique de l'Université de Tartu peut être utilisé pour sélectionner un ensemble de qubits dans un microcristal agissant comme une instance informatique. Selon Hijniakov, c'est actuellement l'une des méthodes les plus puissantes de spectroscopie optique, ce qui permet de trouver les ions dans un microcristal qui sont les plus appropriés pour être utilisés comme qubits informatiques.

Bien qu'il y ait encore un long chemin semé d'obstacles à un ordinateur quantique réellement fonctionnel, des chercheurs du laboratoire de spectroscopie laser de l'Université de Tartu ont commencé à construire un prototype pilote d'ordinateur quantique basé sur la nouvelle méthode. Selon les chercheurs, ils sont sur le point de présenter le travail des éléments de base du nouveau type d'ordinateur quantique.

L'étude de recherche achevée fait partie du projet commun "Spectroscopie des états enchevêtrés de clusters d'ions d'impureté de terre rare pour l'informatique quantique, " menée par le Laboratoire de Spectroscopie Laser et le Laboratoire de Théorie du Solide de l'Institut de Physique de l'Université de Tartu.