Des physiciens du MIT et de l'Université Harvard ont démontré une nouvelle façon de manipuler des morceaux quantiques de matière. Dans un article publié aujourd'hui dans la revue La nature , ils rapportent avoir utilisé un système de lasers finement réglés pour d'abord piéger puis ajuster les interactions de 51 atomes individuels, ou bits quantiques.

Les résultats de l'équipe représentent l'un des plus grands tableaux de bits quantiques, appelés qubits, que les scientifiques ont pu contrôler individuellement. Dans le même numéro de La nature , une équipe de l'Université du Maryland rapporte un système de taille similaire utilisant des ions piégés comme bits quantiques.

Dans l'approche MIT-Harvard, les chercheurs ont généré une chaîne de 51 atomes et les ont programmés pour subir une transition de phase quantique, dans lequel chaque autre atome de la chaîne était excité. Le motif ressemble à un état de magnétisme connu sous le nom d'antiferromagnétique, dans lequel le spin de chaque autre atome ou molécule est aligné.

L'équipe décrit le réseau de 51 atomes comme pas tout à fait un ordinateur quantique générique, qui théoriquement devrait pouvoir résoudre tout problème de calcul qui lui est posé, mais un "simulateur quantique" - un système de bits quantiques qui peut être conçu pour simuler un problème spécifique ou résoudre une équation particulière, beaucoup plus rapide que l'ordinateur classique le plus rapide.

Par exemple, l'équipe peut reconfigurer la configuration des atomes pour simuler et étudier de nouveaux états de la matière et des phénomènes quantiques tels que l'intrication. Le nouveau simulateur quantique pourrait également servir de base à la résolution de problèmes d'optimisation tels que le problème du voyageur de commerce, dans lequel un vendeur théorique doit déterminer le chemin le plus court à emprunter pour visiter une liste donnée de villes. De légères variations de ce problème apparaissent dans de nombreux autres domaines de recherche, comme le séquençage de l'ADN, déplacer une panne à souder automatisée vers de nombreux points de soudure, ou acheminer des paquets de données via des nœuds de traitement.

"Ce problème est exponentiellement difficile pour un ordinateur classique, ce qui signifie qu'il pourrait résoudre ce problème pour un certain nombre de villes, mais si je voulais ajouter plus de villes, ça deviendrait beaucoup plus dur, très rapidement, " déclare le co-auteur de l'étude Vladan Vuleti ?, le professeur Lester Wolfe de physique au MIT. "Pour ce genre de problème, vous n'avez pas besoin d'un ordinateur quantique. Un simulateur est assez bon pour simuler le bon système. Nous pensons donc que ces algorithmes d'optimisation sont les tâches les plus simples à réaliser."

Le travail a été réalisé en collaboration avec les professeurs de Harvard Mikhail Lukin et Markus Greiner; Le scientifique invité du MIT, Sylvain Schwartz, est également co-auteur.

Séparé mais en interaction

Les ordinateurs quantiques sont des dispositifs largement théoriques qui pourraient potentiellement effectuer des calculs extrêmement compliqués en une fraction du temps qu'il faudrait pour l'ordinateur classique le plus puissant du monde. Ils le feraient par le biais de qubits, des unités de traitement de données qui, contrairement aux bits binaires des ordinateurs classiques, peut être simultanément dans une position 0 et 1. Cette propriété quantique de superposition permet à un seul qubit d'effectuer simultanément deux flux de calcul distincts. L'ajout de qubits supplémentaires à un système peut accélérer de façon exponentielle les calculs d'un ordinateur.

Mais des obstacles majeurs ont empêché les scientifiques de réaliser un ordinateur quantique pleinement opérationnel. L'un de ces défis :comment faire en sorte que les qubits interagissent les uns avec les autres sans interagir avec leur environnement.

"Nous savons que les choses deviennent très facilement classiques lorsqu'elles interagissent avec l'environnement, donc vous avez besoin de [qubits] pour être super isolé, " dit Vuleti ?, qui est membre du Research Laboratory of Electronics et du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms. "D'autre part, ils ont besoin d'interagir fortement avec un autre qubit."

Certains groupes construisent des systèmes quantiques avec des ions, ou des atomes chargés, comme qubits. Ils piègent ou isolent les ions du reste de l'environnement à l'aide de champs électriques; une fois pris au piège, les ions interagissent fortement les uns avec les autres. Mais beaucoup de ces interactions sont fortement répulsives, comme des aimants d'orientation similaire, et sont donc difficiles à contrôler, en particulier dans les systèmes avec de nombreux ions.

D'autres chercheurs expérimentent des qubits supraconducteurs, des atomes artificiels fabriqués pour se comporter de manière quantique. Mais Vuleti ? dit que ces qubits fabriqués ont leurs inconvénients par rapport à ceux basés sur des atomes réels.

"Par définition, chaque atome est le même que tout autre atome de la même espèce, " Vuleti ? dit. " Mais quand vous les construisez à la main, alors vous avez des influences de fabrication, telles que des fréquences de transition légèrement différentes, accouplements, etc."

Poser le piège

Vulète ? et ses collègues ont proposé une troisième approche pour construire un système quantique, en utilisant des atomes neutres, des atomes qui ne détiennent aucune charge électrique, comme qubits. Contrairement aux ions, les atomes neutres ne se repoussent pas, et ils ont des propriétés intrinsèquement identiques, contrairement aux qubits supraconducteurs fabriqués.

Dans des travaux antérieurs, le groupe a conçu un moyen de piéger des atomes individuels, en utilisant un faisceau laser pour refroidir d'abord un nuage d'atomes de rubidium à des températures proches du zéro absolu, ralentir leur mouvement jusqu'à un quasi-arrêt. Ils emploient ensuite un deuxième laser, divisé en plus de 100 faisceaux, pour piéger et maintenir les atomes individuels en place. Ils sont capables d'imager le nuage pour voir quels faisceaux laser ont piégé un atome, et peut éteindre certains faisceaux pour éliminer ces pièges sans atome. Ils réarrangent ensuite tous les pièges à atomes, pour créer une commande, tableau de qubits sans défaut.

Avec cette technique, les chercheurs ont pu construire une chaîne quantique de 51 atomes, tous piégés à leur état fondamental, ou le niveau d'énergie le plus bas.

Dans leur nouveau papier, l'équipe rapporte aller plus loin, contrôler les interactions de ces 51 atomes piégés, une étape nécessaire vers la manipulation des qubits individuels. Faire cela, ils ont temporairement désactivé les fréquences laser qui emprisonnaient à l'origine les atomes, permettant au système quantique d'évoluer naturellement.

Ils ont ensuite exposé le système quantique en évolution à un troisième faisceau laser pour essayer d'exciter les atomes dans ce qu'on appelle un état de Rydberg, un état dans lequel l'un des électrons d'un atome est excité à une énergie très élevée par rapport au reste de l'atome. électrons. Finalement, ils ont rallumé les faisceaux laser de piégeage d'atomes pour détecter les états finaux des atomes individuels.

"Si tous les atomes commencent dans l'état fondamental, il s'avère que lorsque nous essayons de mettre tous les atomes dans cet état excité, l'état qui émerge est celui où chaque deuxième atome est excité, " Vuleti ? dit. " Ainsi, les atomes font une transition de phase quantique vers quelque chose de similaire à un antiferromagnétique. "

La transition n'a lieu que dans tous les autres atomes en raison du fait que les atomes dans les états de Rydberg interagissent très fortement les uns avec les autres, et il faudrait beaucoup plus d'énergie pour exciter deux atomes voisins aux états de Rydberg que le laser ne peut en fournir.

Vulète ? dit que les chercheurs peuvent changer les interactions entre les atomes en changeant la disposition des atomes piégés, ainsi que la fréquence ou la couleur du faisceau laser d'excitation atomique. Quoi de plus, le système peut être facilement étendu.

"Nous pensons que nous pouvons l'augmenter jusqu'à quelques centaines, " Vuleti ? dit. " Si vous voulez utiliser ce système comme un ordinateur quantique, il devient intéressant de l'ordre de 100 atomes, selon le système que vous essayez de simuler."

Pour l'instant, les chercheurs prévoient de tester le système à 51 atomes en tant que simulateur quantique, spécifiquement sur les problèmes d'optimisation de planification de chemin qui peuvent être résolus à l'aide de l'informatique quantique adiabatique - une forme d'informatique quantique proposée pour la première fois par Edward Farhi, le professeur Cecil et Ida Green de physique au MIT.

L'informatique quantique adiabatique propose que l'état fondamental d'un système quantique décrit la solution au problème d'intérêt. Lorsque ce système peut évoluer pour produire le problème lui-même, l'état final du système peut confirmer la solution.

"Vous pouvez commencer par préparer le système dans un état simple et connu de plus faible énergie, par exemple tous les atomes dans leurs états fondamentaux, puis déformez-le lentement pour représenter le problème que vous souhaitez résoudre, par exemple, le problème du voyageur de commerce, " Vuleti ? dit. " C'est un changement lent de certains paramètres dans le système, c'est exactement ce que nous faisons dans cette expérience. Notre système est donc orienté vers ces problèmes d'informatique quantique adiabatique."