Atomes, photons, et d'autres particules quantiques sont souvent capricieuses et capricieuses par nature; très rarement à l'arrêt, ils se heurtent souvent à d'autres de leur espèce. Mais si de telles particules peuvent être individuellement encerclées et contrôlées en grand nombre, ils peuvent être exploités en tant que bits quantiques, ou qubits — de minuscules unités d'information dont l'état ou l'orientation peuvent être utilisés pour effectuer des calculs à des vitesses nettement plus rapides que les puces informatiques à semi-conducteurs d'aujourd'hui.

Dans les années récentes, les scientifiques ont trouvé des moyens d'isoler et de manipuler des particules quantiques individuelles. Mais ces techniques ont été difficiles à étendre, et l'absence d'un moyen fiable de manipuler un grand nombre d'atomes reste un obstacle important vers l'informatique quantique.

Maintenant, des scientifiques de Harvard et du MIT ont trouvé un moyen de contourner ce défi. Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Science , les chercheurs présentent une nouvelle méthode qui leur permet d'utiliser des lasers comme des « pincettes » optiques pour prélever des atomes individuels dans un nuage et les maintenir en place. Comme les atomes sont "piégés, " les scientifiques utilisent une caméra pour créer des images des atomes et de leurs emplacements. Sur la base de ces images, ils manipulent ensuite l'angle des faisceaux laser, déplacer des atomes individuels dans un certain nombre de configurations différentes.

L'équipe a jusqu'à présent créé des réseaux de 50 atomes et les a manipulés dans divers modèles sans défaut, avec contrôle à un seul atome. Vladan Vulétique, l'un des auteurs de l'article et professeur de physique Lester Wolfe au MIT, compare le processus à "la construction d'un petit cristal d'atomes, du fond, en haut."

"Nous avons démontré un réseau reconfigurable de pièges pour des atomes uniques, où nous pouvons préparer jusqu'à 50 atomes individuels dans des pièges séparés de manière déterministe, pour une utilisation future dans le traitement de l'information quantique, simulations quantiques, ou des mesures de précision, " dit Vuletic, qui est également membre du Laboratoire de recherche en électronique du MIT. "C'est comme des Legos d'atomes que l'on construit, et vous pouvez décider où vous voulez que chaque bloc soit."

Les autres auteurs principaux de l'article sont l'auteur principal Manuel Endres et Markus Greiner et Mikhail Lukin de l'Université Harvard.

Rester neutre

L'équipe a conçu sa technique pour manipuler des atomes neutres, qui ne portent aucune charge électrique. La plupart des autres expériences quantiques ont impliqué des atomes chargés, ou des ions, car leur charge les rend plus facilement piégeables. Les scientifiques ont également montré que les ions, sous certaines conditions, peut être fait pour effectuer des portes quantiques - opérations logiques entre deux bits quantiques, similaire aux portes logiques dans les circuits classiques. Cependant, en raison de leur caractère chargé, les ions se repoussent et sont difficiles à assembler en réseaux denses.

Atomes neutres, d'autre part, n'ayez aucun problème à être à proximité. Le principal obstacle à l'utilisation d'atomes neutres comme qubits a été que, contrairement aux ions, ils subissent des forces très faibles et ne sont pas facilement maintenus en place.

"L'astuce est de les piéger, et en particulier, pour piéger beaucoup d'entre eux, " dit Vuletic. " Les gens ont pu piéger de nombreux atomes neutres, mais pas de manière à former une structure régulière avec eux. Et pour l'informatique quantique, vous devez être capable de déplacer des atomes spécifiques vers des emplacements spécifiques, avec contrôle individuel."

Poser le piège

Pour piéger des atomes neutres individuels, les chercheurs ont d'abord utilisé un laser pour refroidir un nuage d'atomes de rubidium à ultrafroid, températures proches du zéro absolu, ralentir les atomes par rapport à leur habitude, trajectoires à grande vitesse. Ils ont ensuite dirigé un deuxième faisceau laser à travers un instrument qui divise le faisceau laser en plusieurs faisceaux plus petits, dont le nombre et l'angle dépendent de la fréquence radio appliquée au déflecteur.

Les chercheurs ont concentré les plus petits faisceaux laser à travers le nuage d'atomes ultrafroids et ont découvert que le foyer de chaque faisceau - le point auquel l'intensité du faisceau était la plus élevée - attirait un seul atome, essentiellement le sortir du nuage et le maintenir en place.

"C'est comme charger un peigne en le frottant contre quelque chose de laine, et l'utiliser pour ramasser de petits morceaux de papier, " dit Vuletic. " C'est un processus similaire avec les atomes, qui sont attirés par les régions de haute intensité du champ lumineux."

Pendant que les atomes sont piégés, ils émettent de la lumière, que les scientifiques ont capturé à l'aide d'une caméra à dispositif à couplage de charge. En regardant leurs images, les chercheurs ont pu discerner quels faisceaux laser, ou des pincettes, contenaient des atomes et qui ne l'étaient pas. Ils pourraient alors changer la fréquence radio de chaque faisceau pour "éteindre" la pince à épiler sans atomes, et réorganiser ceux avec des atomes, pour créer des matrices exemptes de défauts. L'équipe a finalement créé des réseaux de 50 atomes qui ont été maintenus en place pendant plusieurs secondes.

"La question est toujours, combien d'opérations quantiques pouvez-vous effectuer en ce moment ?" dit Vuletic. "L'échelle de temps typique pour les atomes neutres est d'environ 10 microsecondes, donc tu pourrais en faire environ 100, 000 opérations en une seconde. Nous pensons que pour l'instant cette vie va bien."

Maintenant, l'équipe cherche à savoir s'ils peuvent encourager les atomes neutres à effectuer des portes quantiques, le traitement le plus élémentaire de l'information entre deux qubits. Alors que d'autres l'ont démontré entre deux atomes neutres, ils n'ont pas été capables de conserver les portes quantiques dans les systèmes impliquant un grand nombre d'atomes. Si Vuletic et ses collègues peuvent induire avec succès des portes quantiques dans leurs systèmes de 50 atomes ou plus, ils auront fait un pas important vers la réalisation de l'informatique quantique.

"Les gens aimeraient aussi faire d'autres expériences en dehors de l'informatique quantique, comme la simulation de la physique de la matière condensée, avec un nombre prédéterminé d'atomes, et maintenant avec cette technique, il devrait être possible, " dit Vuletic. " C'est très excitant. "