Construire un ordinateur quantique nécessite de prendre en compte les erreurs, dans plus d'un sens. Bits quantiques, ou "qubits, " qui peut prendre les valeurs logiques zéro et un simultanément, et ainsi effectuer des calculs plus rapidement, sont extrêmement sensibles aux perturbations. Un remède possible à cela est la correction d'erreur quantique, ce qui signifie que chaque qubit est représenté de manière redondante en plusieurs exemplaires, de telle sorte que les erreurs puissent être détectées et éventuellement corrigées sans perturber l'état quantique fragile du qubit lui-même. Techniquement, c'est très exigeant. Cependant, il y a plusieurs années, une proposition alternative suggérait de stocker les informations non dans plusieurs qubits redondants, mais plutôt dans les nombreux états oscillatoires d'un seul oscillateur harmonique quantique. Le groupe de recherche de Jonathan Home, professeur à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich, a maintenant réalisé un tel qubit codé dans un oscillateur. Leurs résultats ont été publiés dans la revue scientifique La nature .

États oscillatoires périodiques

Dans le laboratoire de Home, doctorat L'étudiante Christa Flühmann et ses collègues travaillent avec des atomes de calcium chargés électriquement qui sont piégés par des champs électriques. À l'aide de faisceaux laser choisis de manière appropriée, ces ions sont refroidis à des températures très basses auxquelles leurs oscillations dans les champs électriques, à l'intérieur de laquelle les ions clapotent comme des billes dans un bol, sont décrites par la mécanique quantique comme des fonctions d'onde. "À ce moment, les choses deviennent passionnantes, " dit Flühmann, qui est le premier auteur du La nature papier. "Nous pouvons maintenant manipuler les états oscillatoires des ions de manière à ce que leurs incertitudes de position et de quantité de mouvement soient réparties entre de nombreux états disposés périodiquement."

Ici, « incertitude » fait référence à la célèbre formule de Werner Heisenberg, qui dit qu'en physique quantique, le produit des incertitudes de mesure de la position et de la vitesse (plus précisément :la quantité de mouvement) d'une particule ne peut jamais descendre en dessous d'un minimum bien défini. Par exemple, manipuler la particule pour bien connaître sa position — les physiciens appellent cela « compression » — nécessite de rendre son élan moins certain.

Incertitude réduite

Presser un état quantique de cette manière est, tout seul, n'a qu'une valeur limitée si le but est de faire des mesures précises. Cependant, il y a une solution astucieuse :si, en plus de la compression, on prépare un état oscillatoire dans lequel la fonction d'onde de la particule est répartie sur de nombreuses positions périodiquement espacées, l'incertitude de mesure de chaque position et de la quantité de mouvement respective peut être inférieure à ce que Heisenberg permettrait. Une telle distribution spatiale de la fonction d'onde - la particule peut être à plusieurs endroits à la fois, et seule une mesure décide où on le trouve réellement - rappelle le célèbre chat d'Erwin Schrödinger, qui est à la fois mort et vivant.

Cette incertitude de mesure fortement réduite signifie également que le moindre changement dans la fonction d'onde, par exemple par une perturbation externe, peut être déterminé très précisément et, du moins en principe, corrigé. "Notre réalisation de ces états oscillatoires périodiques ou en peigne de l'ion est une étape importante vers une telle détection d'erreur, " explique Flühmann. " De plus, nous pouvons préparer des états arbitraires de l'ion et effectuer toutes les opérations logiques possibles dessus. Tout cela est nécessaire pour construire un ordinateur quantique. Dans une prochaine étape, nous voulons combiner cela avec la détection et la correction des erreurs."

Applications dans les capteurs quantiques

Quelques obstacles expérimentaux doivent être surmontés en cours de route, Flühmann admet. L'ion calcium doit d'abord être couplé à un autre ion par des forces électriques, de sorte que l'état oscillatoire peut être lu sans le détruire. Toujours, même sous sa forme actuelle, la méthode des chercheurs de l'ETH présente un grand intérêt pour les applications, Flühmann explique :« En raison de leur extrême sensibilité aux perturbations, ces états oscillatoires sont un excellent outil pour mesurer très précisément de minuscules champs électriques ou d'autres quantités physiques."