La physique quantique définit les lois qui dominent l'univers à petite échelle. La capacité d'exploiter les phénomènes quantiques pourrait conduire à des machines comme les ordinateurs quantiques, qui devraient effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs conventionnels. Un problème majeur avec la construction de processeurs quantiques est que le suivi et le contrôle des systèmes quantiques en temps réel est une tâche difficile car les systèmes quantiques sont extrêmement fragiles :la manipulation imprudente de ces systèmes introduit des erreurs significatives dans le résultat final. De nouveaux travaux d'une équipe d'Aalto pourraient conduire à des ordinateurs quantiques précis.

Les chercheurs rapportent contrôler les phénomènes quantiques dans un circuit électrique conçu sur mesure appelé transmon. Refroidir une puce transmon à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu induit un état quantique, et la puce commence à se comporter comme un atome artificiel. L'une des caractéristiques quantiques qui intéresse les chercheurs est que l'énergie du transmon ne peut prendre que des valeurs spécifiques, appelés niveaux d'énergie. Les niveaux d'énergie sont comme les marches d'une échelle :une personne qui monte à l'échelle doit occuper une marche, et ne peut pas planer quelque part entre deux étapes. De même, l'énergie transmon ne peut occuper que les valeurs de consigne des niveaux d'énergie. Les micro-ondes brillantes sur le circuit induisent le transmon à absorber l'énergie et à gravir les échelons de l'échelle.

Dans un ouvrage publié le 8 février dans la revue Avancées scientifiques , le groupe de l'Université d'Aalto dirigé par le Docent Sorin Paraoanu, maître de conférences universitaire au Département de physique appliquée, a fait sauter le transmon de plus d'un niveau d'énergie en une seule fois. Précédemment, cela n'a été possible que par des ajustements très doux et lents des signaux micro-ondes qui contrôlent l'appareil. Dans le nouveau travail, un signal de commande hyperfréquence supplémentaire mis en forme de manière très spécifique permet une rapide, changement précis du niveau d'énergie. Dr Antti Vepsäläinen, l'auteur principal, dit, « Nous avons un dicton en Finlande : « hiljaa hyvää tulee » (le fait lentement). Mais nous avons réussi à le montrer en corrigeant continuellement l'état du système, nous pouvons conduire ce processus plus rapidement et avec une grande fidélité."

Dr Sergueï Danilin, l'un des co-auteurs, décrit le contrôle quantique - le processus d'utilisation de puces comme des transmons pour construire des ordinateurs quantiques - en étendant l'analogie « monter une échelle ». "Pour obtenir un système quantique utile, il faut imaginer monter sur une échelle tout en tenant un verre d'eau - ça marche si on le fait en douceur, mais si tu le fais trop vite, l'eau se déverse. Certainement, cela demande une compétence particulière."

Les chercheurs ont découvert que dans le monde quantique, l'astuce pour monter rapidement à l'échelle sans renverser d'eau est de sauter avec précaution deux échelons à la fois. Ce raccourci de l'échelle énergétique a été obtenu en faisant absorber au transmon deux photons micro-ondes en même temps. Les lois de la nature limitent la vitesse à laquelle tout changement d'énergie quantique peut se produire, même avec des raccourcis, une restriction appelée "limite de vitesse quantique". Pour leur plus grand plaisir, les scientifiques d'Aalto ont découvert que leur nouvelle méthode entraînait des modifications du niveau d'énergie à des vitesses proches de cette limite théoriquement calculée.

L'impact plus large du contrôle des transferts d'énergie à grande vitesse dans les systèmes quantiques est également passionnant pour l'équipe. L'informatique quantique et les applications de simulation quantique sont potentiellement très importantes, ce qui nécessite des opérations rapides et très robustes telles que la préparation d'états et la création de portes quantiques. Le Dr Paraoanu voit d'autres opportunités, ainsi :« Nous aimerions mieux comprendre les processus liés au transfert d'énergie, qui sont omniprésents dans le monde naturel et dans la technologie qui nous entoure. Par exemple, y a-t-il des limites fondamentales à la vitesse à laquelle nous pouvons charger la batterie d'une voiture électrique ? » Dans le domaine en développement rapide des technologies quantiques, il est possible que cette nouvelle méthode de contrôle trouve de multiples applications.