Abstraction -- électrons ambulants. Crédit :MIPT
Des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de l'Académie des sciences de Russie et du MIPT ont lâché deux électrons dans un système de points quantiques pour créer une cellule de mémoire d'ordinateur quantique d'une dimension supérieure à un qubit (un bit quantique). Dans leur étude publiée dans Rapports scientifiques , les chercheurs démontrent pour la première fois comment les marches quantiques de plusieurs électrons peuvent aider à mettre en œuvre le calcul quantique.
"En étudiant le système à deux électrons, nous avons résolu les problèmes rencontrés dans le cas général de deux particules identiques en interaction. Cela ouvre la voie à des structures quantiques compactes de haut niveau, " dit Leonid Fedichkin, professeur agrégé au Département de physique théorique du MIPT.
En quelques heures, un ordinateur quantique serait capable de pirater le cryptosystème le plus populaire utilisé par les navigateurs Web. En ce qui concerne les applications plus bienveillantes, un ordinateur quantique serait capable de modéliser moléculairement toutes les interactions entre les particules impliquées. Cela permettrait à son tour le développement de cellules solaires hautement efficaces et de nouveaux médicaments. Pour avoir des applications pratiques, un ordinateur quantique doit intégrer des centaines voire des milliers de qubits. Et c'est là que ça se complique.
Comme il s'avère, la nature instable de la connexion entre qubits reste l'obstacle majeur empêchant l'utilisation de marches quantiques de particules pour le calcul quantique. Contrairement à leurs analogues classiques, Les structures quantiques sont extrêmement sensibles au bruit extérieur. Pour éviter qu'un système à plusieurs qubits ne perde les informations qu'il contient, l'azote liquide (ou l'hélium) doit être utilisé pour le refroidissement. De nombreux schémas ont été proposés pour la réalisation expérimentale d'un qubit séparé. Dans une étude antérieure, une équipe de recherche dirigée par le professeur Fedichkin a démontré qu'un qubit pouvait être physiquement implémenté sous la forme d'une particule « faisant une marche quantique » entre deux semi-conducteurs extrêmement petits appelés points quantiques, qui sont reliés par un "tunnel quantique". Du point de vue d'un électron, les points quantiques représentent des puits potentiels. Ainsi, la position de l'électron peut être utilisée pour coder les deux états de base du qubit - |0? et |1?—selon que la particule est dans l'un ou l'autre puits. Plutôt que de s'asseoir dans l'un des deux puits, l'électron est étalé entre les deux états différents, ne prenant une position définie que lorsque ses coordonnées sont mesurées. En d'autres termes, il est dans une superposition de deux états.
Les points bleus et violets dans les diagrammes sont les états des deux qudits connectés (les qutrits et les ququarts sont indiqués en (a) et (b) respectivement). Chaque cellule dans les diagrammes carrés sur le côté droit de chaque figure (a-d) représente la position d'un électron (i =0, 1, 2, ... le long de l'axe horizontal) par rapport à la position de l'autre électron (j =0, 1, 2, ... le long de l'axe vertical). Les cellules codent par couleur la probabilité de trouver les deux électrons dans les points correspondants avec les nombres i et j lorsqu'une mesure du système est effectuée. Les couleurs plus chaudes indiquent des probabilités plus élevées. Crédit :MIPT
Si un état intriqué est créé entre plusieurs qubits, leurs états individuels ne peuvent plus être décrits séparément les uns des autres, et toute description valide doit se référer à l'état de l'ensemble du système. Cela signifie qu'un système de trois qubits a un total de huit états de base et se trouve dans une superposition d'entre eux :A|000⟩+B|001⟩+C|010⟩+D|100⟩+E|011⟩+F| 101⟩+G|110⟩+H|111⟩. En influençant le système, on affecte inévitablement l'ensemble des huit coefficients, alors qu'influencer un système de bits réguliers n'affecte que leurs états individuels. Par implication, n bits peuvent stocker n variables, tandis que n qubits peuvent stocker 2 m variables. Les qudits offrent un avantage encore plus grand, puisque n qudits à quatre niveaux (aka ququarts) peuvent encoder 4 m , ou 2 m ×2 m variables. Pour mettre cela en perspective, 10 pintes stocker environ 100, 000 fois plus d'informations que 10 bits. Avec de plus grandes valeurs de n, les zéros de ce nombre commencent à s'accumuler très rapidement.
Dans cette étude, Alexey Melnikov et Leonid Fedichkin obtiennent un système de deux qudits mis en œuvre comme deux électrons intriqués marchant quantiquement autour du graphe cyclique. Pour en faire un, les scientifiques devaient « relier les points, " formant un cercle (encore une fois, ce sont des points quantiques, et ils sont connectés par effet tunnel quantique). L'intrication des deux électrons est causée par la répulsion électrostatique mutuelle subie par des charges similaires. Il est possible de créer un système d'encore plus de qudits dans le même volume de matériau semi-conducteur. Pour faire ça, il est nécessaire de connecter des points quantiques dans un schéma de chemins sinueux et d'avoir plus d'électrons errants. L'approche des marches quantiques du calcul quantique est pratique car elle est basée sur un processus naturel. Néanmoins, la présence de deux électrons identiques dans la même structure était une source de difficultés supplémentaires restées sans solution.
Le phénomène d'intrication des particules joue un rôle central dans le traitement de l'information quantique. Cependant, dans des expériences avec des particules identiques, un faux enchevêtrement peut survenir entre des électrons qui n'interagissent pas, qui doit être distingué d'un véritable enchevêtrement. Pour faire ça, les scientifiques ont effectué des calculs mathématiques pour les deux cas, à savoir, avec et sans enchevêtrement. Ils ont observé l'évolution de la distribution des probabilités pour les cas avec six, huit, dix, et 12 points, c'est à dire., pour un système de deux qudits à trois, quatre, cinq, et six niveaux chacun. Les scientifiques ont démontré que leur système proposé se caractérise par un degré de stabilité relativement élevé.
Le qubit est l'élément de base d'un ordinateur quantique. Il a deux états de base, à savoir, |0⟩ et |1⟩. La distinction entre le bit classique et son homologue quantique réside dans plus que de simples crochets fantaisistes (ce sont la notation mécanique quantique standard pour un état). La propriété essentielle d'un qubit est sa capacité à être dans une superposition des deux états de base :A|0⟩+B|1⟩. Un peu classique, d'autre part, ne peut avoir qu'une des deux valeurs (0 ou 1). Le terme « qudit » peut être utilisé pour désigner des systèmes quantiques de niveau supérieur avec plus de deux états. Crédit :MIPT
Jusque là, les scientifiques ont été incapables de connecter un nombre suffisant de qubits pour le développement d'un ordinateur quantique. Les travaux des chercheurs russes rapprochent l'informatique d'un avenir où les calculs quantiques sont monnaie courante. Et bien qu'il existe des algorithmes que les ordinateurs quantiques ne pourraient jamais accélérer, d'autres bénéficieraient encore énormément de dispositifs capables d'exploiter le potentiel d'un grand nombre de qubits (ou qudits). Ces seuls suffiraient à nous sauver quelques milliers d'années.
