Une nouvelle méthode permet de mesurer l'état quantique des "qubits" atomiques - l'unité d'information de base dans les ordinateurs quantiques - avec vingt fois moins d'erreurs qu'il n'était possible auparavant, sans perdre aucun atome. Mesurer avec précision les états des qubits, qui sont analogues aux états un ou zéro des bits en informatique traditionnelle, est une étape essentielle dans le développement des ordinateurs quantiques. Un article décrivant la méthode par des chercheurs de Penn State paraît le 25 mars, 2019 dans la revue Physique de la nature .

"Nous travaillons au développement d'un ordinateur quantique qui utilise comme qubits un réseau tridimensionnel d'atomes de césium refroidis par laser et piégés, " a déclaré David Weiss, professeur de physique à Penn State et chef de l'équipe de recherche. "En raison du fonctionnement de la mécanique quantique, les qubits atomiques peuvent exister dans une "superposition" de deux états, ce qui signifie qu'ils peuvent être, en un sens, dans les deux états simultanément. Pour lire le résultat d'un calcul quantique, il est nécessaire d'effectuer une mesure sur chaque atome. Chaque mesure trouve chaque atome dans un seul de ses deux états possibles. La probabilité relative des deux résultats dépend de l'état de superposition avant la mesure."

Pour mesurer les états des qubits, l'équipe utilise d'abord des lasers pour refroidir et piéger environ 160 atomes dans un réseau tridimensionnel avec X, Oui, et axes Z. Initialement, les lasers piègent tous les atomes à l'identique, quel que soit leur état quantique. Les chercheurs font ensuite pivoter la polarisation de l'un des faisceaux laser qui crée le réseau X, qui déplace spatialement les atomes dans un état qubit vers la gauche et les atomes dans l'autre état qubit vers la droite. Si un atome commence dans une superposition des deux états qubit, elle aboutit à une superposition d'avoir bougé à gauche et d'avoir bougé à droite. Ils passent ensuite à un treillis X avec un espacement de treillis plus petit, qui emprisonne étroitement les atomes dans leur nouvelle superposition de positions décalées. Lorsque la lumière est ensuite diffusée à partir de chaque atome pour observer où il se trouve, chaque atome se trouve soit décalé à gauche, soit décalé à droite, avec une probabilité qui dépend de son état initial. La mesure de la position de chaque atome équivaut à une mesure de l'état qubit initial de chaque atome.

"La cartographie des états internes sur des emplacements spatiaux contribue grandement à en faire une mesure idéale, " a déclaré Weiss. " Un autre avantage de notre approche est que les mesures ne provoquent la perte d'aucun des atomes que nous mesurons, ce qui est un facteur limitant dans de nombreuses méthodes précédentes."

L'équipe a déterminé la précision de leur nouvelle méthode en chargeant leurs réseaux d'atomes dans l'un ou l'autre des états qubit et en effectuant la mesure. Ils ont pu mesurer avec précision les états des atomes avec une fidélité de 0,9994, ce qui signifie qu'il n'y avait que six erreurs sur 10, 000 mesures, une amélioration de vingt fois par rapport aux méthodes précédentes. En outre, le taux d'erreur n'a pas été impacté par le nombre de qubits que l'équipe a mesuré dans chaque expérience et parce qu'il n'y a pas eu de perte d'atomes, les atomes pourraient être réutilisés dans un ordinateur quantique pour effectuer le prochain calcul.

"Notre méthode est similaire à l'expérience Stern-Gerlach de 1922, une expérience qui fait partie intégrante de l'histoire de la physique quantique, " dit Weiss. " Dans l'expérience, un faisceau d'atomes d'argent a été passé à travers un gradient de champ magnétique avec leurs pôles nord alignés perpendiculairement au gradient. Lorsque Stern et Gerlach ont vu la moitié des atomes dévier vers le haut et l'autre vers le bas, il a confirmé l'idée de superposition quantique, l'un des aspects déterminants de la mécanique quantique. Dans notre expérience, nous cartographions également les états quantiques internes des atomes sur des positions, mais nous pouvons le faire atome par atome. Bien sûr, nous n'avons pas besoin de tester cet aspect de la mécanique quantique, nous pouvons simplement l'utiliser."