Les ordinateurs conventionnels stockent des informations dans un peu, une unité fondamentale de logique qui peut prendre une valeur de 0 ou 1. Les ordinateurs quantiques reposent sur des bits quantiques, également connu sous le nom de "qubits, " comme leurs blocs de construction fondamentaux. Les bits dans les ordinateurs traditionnels codent une valeur unique, soit un 0 soit un 1. L'état d'un qubit, par contre, peut avoir simultanément une valeur de 0 et 1. Cette propriété particulière, une conséquence des lois fondamentales de la physique quantique, entraîne la complexité dramatique des systèmes quantiques.

L'informatique quantique est un domaine naissant et en développement rapide qui promet d'utiliser cette complexité pour résoudre des problèmes difficiles à résoudre avec les ordinateurs conventionnels. Un enjeu clé pour l'informatique quantique, cependant, est qu'elle nécessite de faire travailler ensemble un grand nombre de qubits, ce qui est difficile à réaliser tout en évitant les interactions avec l'environnement extérieur qui priveraient les qubits de leurs propriétés quantiques.

Nouvelles recherches du laboratoire d'Oskar Painter, John G Braun Professeur de physique appliquée et de physique à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées, explore l'utilisation de métamatériaux supraconducteurs pour surmonter ce défi.

Les métamatériaux sont spécialement conçus en combinant plusieurs matériaux à une échelle inférieure à la longueur d'onde de la lumière, leur donnant la capacité de manipuler comment les particules de lumière, ou photons, se comporter. Les métamatériaux peuvent être utilisés pour réfléchir, tourner, ou concentrer les faisceaux de lumière de presque n'importe quelle manière souhaitée. Un métamatériau peut aussi créer une bande de fréquence où la propagation des photons devient totalement interdite, une soi-disant "bande interdite photonique".

L'équipe de Caltech a utilisé une bande interdite photonique pour piéger des photons micro-ondes dans un circuit quantique supraconducteur, créer une technologie prometteuse pour la construction de futurs ordinateurs quantiques.

"En principe, il s'agit d'un substrat évolutif et flexible sur lequel construire des circuits complexes pour interconnecter certains types de qubits, " dit le Peintre, chef du groupe qui a mené la recherche, qui a été publié dans Communication Nature le 12 septembre. « Non seulement on peut jouer avec l'agencement spatial de la connectivité entre qubits, mais on peut également concevoir la connectivité pour qu'elle se produise uniquement à certaines fréquences souhaitées."

Painter et son équipe ont créé un circuit quantique composé de couches minces d'un supraconducteur - un matériau qui transmet le courant électrique avec peu ou pas de perte d'énergie - tracé sur une micropuce en silicium. Ces motifs supraconducteurs transportent les micro-ondes d'une partie de la puce à une autre. Qu'est-ce qui fait que le système fonctionne en régime quantique, cependant, est l'utilisation d'une jonction dite Josephson, qui se compose d'une couche non conductrice atomiquement mince prise en sandwich entre deux électrodes supraconductrices. La jonction Josephson crée une source de photons micro-ondes avec deux états distincts et isolés, comme les états électroniques fondamentaux et excités d'un atome, qui participent à l'émission de lumière, ou, dans le langage de l'informatique quantique, un qubit.

"Les circuits quantiques supraconducteurs permettent d'effectuer des expériences d'électrodynamique quantique fondamentales en utilisant un circuit électrique à micro-ondes qui semble avoir pu être tiré directement de votre téléphone portable, " Dit Painter. "Nous pensons que l'augmentation de ces circuits avec des métamatériaux supraconducteurs peut permettre de futures technologies d'informatique quantique et approfondir l'étude de systèmes quantiques plus complexes qui dépassent notre capacité à modéliser en utilisant même les simulations informatiques classiques les plus puissantes. "

L'article s'intitule "Métamatériaux supraconducteurs pour l'électrodynamique quantique des guides d'ondes".