Les chercheurs ont franchi une étape importante vers l'objectif longtemps recherché d'un ordinateur quantique, qui, en théorie, devraient être capables de calculs beaucoup plus rapides que les ordinateurs conventionnels, pour certains types de problèmes. Les nouveaux travaux montrent que des collections de molécules ultrafroides peuvent conserver les informations qui y sont stockées, pendant des centaines de fois plus longtemps que ce que les chercheurs ont réalisé auparavant avec ces matériaux.

Ces molécules à deux atomes sont constituées de sodium et de potassium et ont été refroidies à des températures de quelques dizaines de millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu (mesurée en centaines de nanokelvins, ou nK). Les résultats sont décrits dans un rapport cette semaine en Science , par Martin Zwierlein, un professeur de physique au MIT; Parc Jee Woo, un ancien étudiant diplômé du MIT; Sébastien Will, un ancien chercheur au MIT et maintenant professeur assistant à l'Université de Columbia, et deux autres, le tout au MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

De nombreuses approches différentes sont étudiées comme moyens possibles de créer des qubits, les éléments de base des ordinateurs quantiques longtemps théorisés mais pas encore entièrement réalisés. Des chercheurs ont essayé d'utiliser des matériaux supraconducteurs, ions retenus dans des pièges à ions, ou des atomes neutres individuels, ainsi que des molécules de complexité variable. La nouvelle approche utilise un groupe de molécules très simples constituées de seulement deux atomes.

"Les molécules ont plus de "poignées" que les atomes, " Zwierlein dit, ce qui signifie plus de façons d'interagir les uns avec les autres et avec les influences extérieures. "Ils peuvent vibrer, ils peuvent tourner, et en fait ils peuvent fortement interagir les uns avec les autres, ce que les atomes ont du mal à faire. Typiquement, les atomes doivent vraiment se rencontrer, être presque les uns sur les autres, avant de voir qu'il y a un autre atome avec lequel interagir, alors que les molécules peuvent se voir" sur des distances relativement longues. "Pour faire parler ces qubits et effectuer des calculs, utiliser des molécules est une bien meilleure idée que d'utiliser des atomes, " il dit.

L'utilisation de ce type de molécules à deux atomes pour le traitement de l'information quantique "avait été suggérée il y a quelque temps, " dit Parc, " et ce travail démontre la première étape expérimentale vers la réalisation de cette nouvelle plate-forme, c'est-à-dire que l'information quantique peut être stockée dans des molécules dipolaires pendant des périodes prolongées."

"La chose la plus étonnante est que [ces] molécules sont un système qui peut permettre de réaliser à la fois le stockage et le traitement de l'information quantique, utilisant le même système physique, " dit Will. " C'est en fait une caractéristique assez rare qui n'est pas du tout typique parmi les systèmes qubit qui sont principalement considérés aujourd'hui. "

Lors des tests initiaux de validation de principe de l'équipe, quelques milliers de molécules simples étaient contenues dans une bouffée de gaz microscopique, piégé à l'intersection de deux faisceaux laser et refroidi à des températures ultrafroides d'environ 300 nanokelvins. "Plus vous avez d'atomes dans une molécule, plus il devient difficile de les refroidir, " Zwierlein dit, ils ont donc choisi cette structure simple à deux atomes.

Les molécules ont trois caractéristiques clés :la rotation, vibration, et la direction de spin des noyaux des deux atomes individuels. Pour ces expériences, les chercheurs ont parfaitement maîtrisé les molécules en termes de trois caractéristiques, c'est-à-dire dans l'état de vibration le plus bas, rotation, et l'alignement du spin nucléaire.

« Nous sommes capables de piéger des molécules depuis longtemps, et démontrer également qu'ils peuvent transporter des informations quantiques et les conserver longtemps, " dit Zwierlein. Et cela, il dit, est "l'une des percées ou jalons clés que l'on doit avoir avant d'espérer construire un ordinateur quantique, ce qui est une entreprise beaucoup plus compliquée."

L'utilisation de molécules sodium-potassium présente de nombreux avantages, dit Zwierlein. Pour une chose, "la molécule est chimiquement stable, donc si l'une de ces molécules en rencontre une autre, elles ne se séparent pas."

Dans le cadre de l'informatique quantique, le "temps long" auquel Zwierlein fait référence est d'une seconde - ce qui est "en fait de l'ordre de mille fois plus long qu'une expérience comparable qui a été faite" en utilisant la rotation pour coder le qubit, il dit. "Sans mesures supplémentaires, cette expérience a donné une milliseconde, mais c'était déjà super." Avec la méthode de cette équipe, la stabilité inhérente du système signifie "vous obtenez une seconde complète gratuitement".

Cela suggère, bien que cela reste à prouver, qu'un tel système serait capable d'effectuer des milliers de calculs quantiques, connu sous le nom de portes, en séquence dans cette seconde de cohérence. Les résultats finaux pouvaient ensuite être "lus" optiquement au microscope, révélant l'état final des molécules.

"Nous avons de grands espoirs de pouvoir faire une soi-disant porte - c'est une opération entre deux de ces qubits, comme plus, soustraction, ou ce genre d'équivalent - en une fraction de milliseconde, " dit Zwierlein. " Si vous regardez le rapport, vous pouvez espérer en faire 10, 000 à 100, 000 opérations de porte dans le temps que nous avons la cohérence dans l'échantillon. Cela a été déclaré comme l'une des exigences d'un ordinateur quantique, d'avoir ce genre de rapport entre les opérations de porte et les temps de cohérence."

"Le prochain grand objectif sera de "parler" à des molécules individuelles. Ensuite, nous parlons vraiment d'informations quantiques, " dit Will. " Si nous pouvons piéger une molécule, nous pouvons en piéger deux. Et puis nous pouvons penser à mettre en œuvre une « opération de porte quantique » - un calcul élémentaire - entre deux qubits moléculaires qui se trouvent l'un à côté de l'autre, " il dit.

En utilisant un tableau de peut-être 1, 000 de ces molécules, Zwierlein dit, permettrait d'effectuer des calculs si complexes qu'aucun ordinateur existant ne pourrait même commencer à vérifier les possibilités. Bien qu'il souligne qu'il s'agit encore d'une étape préliminaire et que de tels ordinateurs pourraient être dans une décennie ou plus, en principe, un tel dispositif pourrait résoudre rapidement des problèmes actuellement insolubles tels que la factorisation de très grands nombres, un processus dont la difficulté constitue la base des meilleurs systèmes de cryptage actuels pour les transactions financières.

Outre l'informatique quantique, le nouveau système offre également le potentiel d'une nouvelle façon d'effectuer des mesures de précision et de la chimie quantique, dit Zwierlein.